[发明专利]一种高构型熵热电化合物及其设计方法与制备方法

说明书

本发明首次提出了一种高构型熵热电化合物及其设计方法与制备方法，通过对阴‑阳离子构成的基础化合物，同时在其阴离子位及阳离子位实现“高熵化”，构建并制备出阴离子位及阳离子位均为多主元的高构型熵材料新体系。该材料体系可实现电、热的协同输运，从而大幅度提升热电性能等，为热电材料性能优化提供了一条全新思路和途径，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于热电半导体材料领域，具体涉及一种高构型熵热电化合物及其设计方法与制备方法。

背景技术

热电转换技术利用热电材料直接将热能与电能进行相互转换，具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、适用温度范围广、有效利用低密度能量等特点，在工业余废热和汽车尾气废热的回收利用、高精度温控和特种电源技术等领域具有广泛的应用。

热电材料的转换效率由无量纲热电优值ZT(ZT＝α²σT/(κ_E+κ_L)，其中α为Seebeck系数、σ为电导率、κ是热导率(包含电子导热部分κ_E及晶格导热部分κ_L)、T为绝对温度)决定，电性能越高，热导率越低，ZT越大，材料的热电转换效率越高。然而，上述参数之间具有强烈的关联，Seebeck系数及电导率均依赖于载流子浓度但呈现相反的变化趋势，通常在提高(或降低)电导率时，同时引起Seebeck系数下降(或上升)。热导率中的电子热导率和电导率又表现出相同的变化趋势，随电导率增加，电子热导率及总热导率也增加。因此，热电材料的性能优化需要电输运与热输运的协同调控。

目前研究表明，增大材料的能谷简并度，能在维持电导率不显著降低的情况下，有效提高Seebeck系数，从而在一定程度上实现电性能自身的解耦。晶格热导率是热电材料中惟一独立的材料参数，通常可以采用晶体结构工程、缺陷工程、结构纳米化等手段进行优化。

综上所述，提高能谷简并度或降低晶格热导率均能有效优化材料的热电性能，但目前的改进技术往往仅限于其中一种优化策略。若能在一个热电材料体系中，同时实现能谷简并度的提高和晶格热导率的降低，将能实现电热输运的协同调控，大幅度提高材料的热电性能。尤其对于非六方或立方晶体结构的材料(对称性低、能谷简并度小的材料)，若能通过某种手段，在降低晶格热导率的同时，提高其晶体结构对称性，从而增大能谷简并度，提高其热电性能。这是热电材料科学领域一直在追求的重要目标。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种高构型熵热电化合物及其设计方法与制备方法，通过对阴离子位和阳离子位同时引入多种相同电性的元素，利用该高熵化手段提高晶体结构对称性，增大能谷简并度，同时其带来的复杂材料结构能大幅度降低晶格热导率，从而实现在一个材料体系中协同优化热电性能的效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高构型熵热电化合物，包括阴离子位元素和阳离子位元素，它为阴离子位和阳离子位均为多主元的单相高构型熵热电化合物。

上述方案中，所述高构型熵热电化合物，在满足电中性的前提下，通过对阴-阳离子基础化合物的阴离子位和阳离子位同时引入多种相同电性的元素(阴离子位元素和阳离子位元素)，且全部元素均能形成一个稳定单相(无其他杂相)的化合物而成。

上述方案中，所述阴-阳离子基础化合物为阴、阳离子构成的化合物；优选为阴、阳离子构成的常见热电化合物。

上述方案中，所述阴-阳离子基础化合物可以为类金刚石结构化合物(晶体结构通式为“II-VI”)、盐岩相结构化合物(晶体结构通式为“IV-VI”)、Half-Heusler化合物(晶体结构通式为“ABX”)、类ZrCuSiAs层状四方结构化合物(具有ZrCuSiAs层状四方结构的化合物)、类CoSbS正交结构化合物(具有CoSbS正交结构的化合物)或类FeAsS三斜结构化合物(具有FeAsS三斜结构的化合物)等。