[发明专利]一种N型碲化铋基热电材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种N型碲化铋基热电材料的制备方法，首先以N型碲化铋基晶体材料的化学计量比称量相应的原料放置于石英管中真空封装，并在高温下摇摆熔融，利用区熔法制备N型碲化铋基晶体材料；以N型碲化铋基晶体材料作为反应基体，以I₂分子作为插入化合物，将反应基体和插入化合物分别放置于石英管的两端；将放置有反应基体和插入化合物的区域同时升温至一定温度并保温，实现高温蒸汽下的I₂分子吸附；再采用分区降温的方式将两区域分别降至室温，获得I₂分子嵌入的N型碲化铋基热电材料。该方法既保证了N型碲化铋的取向性与电学性能，又降低了晶格热导率，从而实现了N型碲化铋基热电材料电、热输运性能的协同调控和ZT值的提高。

技术领域

本发明涉及热电材料技术领域，尤其涉及一种N型碲化铋基热电材料的制备方法。

背景技术

热电材料是基于半导体的赛贝克效应和帕尔贴效应实现热能与电能之间直接相互耦合的一类功能材料，由于自身具有无污染、无噪音、尺寸小、寿命长、可精确控制等优点，热电材料在温差发电和半导体制冷两方面具有广阔的应用前景。衡量热电材料性能高低的主要参数称为热电优值，ZT＝α²σT/κ，其中α为塞贝克系数、σ为电导率、κ为热导率(包括晶格热导率κ_L和电子热导率κ_e)、T为绝对温度。ZT值越大，材料的热电转换效率越高。Bi₂Te₃基合金是室温附近性能最佳的热电材料，商用碲化铋通常采用区域熔炼法制备，其ZT值在1.0左右，但是目前ZT值较高的多为P型碲化铋，N型碲化铋材料的ZT值要相对低一些，这主要是由于N型碲化铋对材料的取向性更加敏感和依赖，而在实际应用中，转换效率高的热电器件需要P型和N型材料同时具有高ZT值，因此提高N型Bi₂Te₃的热电性能对于碲化铋基热电材料的应用非常关键。

现有技术中提高N型Bi₂Te₃热电性能的主要方法是通过掺杂优化其电学性能，但这种方法使材料ZT值的提高很有限；而采用纳米化等方法改善N型Bi₂Te₃的热电性能又会破坏其取向结构，不利于电、热性能的协同优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种N型碲化铋基热电材料的制备方法，该方法既保证了N型碲化铋的取向性与电学性能，又降低了晶格热导率，从而实现了N型碲化铋基热电材料电、热输运性能的协同调控和ZT值的提高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种N型碲化铋基热电材料的制备方法，所述方法包括：

步骤1、以N型碲化铋基晶体材料的化学计量比称量相应的原料放置于石英管中真空封装，并在高温下摇摆熔融，利用区熔法制备N型碲化铋基晶体材料；

步骤2、以所制备的N型碲化铋基晶体材料作为反应基体，以I₂分子作为插入化合物，将反应基体和插入化合物分别放置于石英管的两端；

步骤3、再将步骤2中的石英管进行抽真空密封处理后水平放置于可分区控温的管式炉内，将放置有反应基体和插入化合物的区域同时升温至一定温度并保温，实现高温蒸汽下的I₂分子吸附；

步骤4、再采用分区降温的方式将放置有反应基体和插入化合物的两区域分别降至室温，获得I₂分子嵌入的N型碲化铋基热电材料。

在步骤1中，所述N型碲化铋基晶体材料以Bi、Sb、Te和Se元素为原料组合。

在步骤1中，所述区熔法所采用的参数包括：

熔融温度700～800℃；升温速度25℃/min；熔区宽度30～40mm；温度梯度25～50℃/cm；生长速度25～30mm/h。