[发明专利]一种N型SnS单晶热电材料及其制备方法

说明书

本发明涉及热电材料领域，尤其涉及一种N型SnS单晶热电材料及其制备方法，本发明提供的制备方法通过Br取代一部分S的位置，来提供更多的额外电子，来提高SnS单晶热电材料的N型载流子浓度，进而提高材料的电传输性能和热电转换效率；采用定向凝固来合成单晶型SnS，可有效地控制晶体尺寸，晶体生长周期短，成功率高，进而能够有效提高热电材料的热电传输性能。在进行定向凝固前通过机械合金化合成多晶型SnS，可以克服高温下S的蒸气压太大容易引起试管炸裂的问题。根据实施例的记载，本发明提供的SnS材料为N型SnS，具有较好的热电性能。

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SnS单晶热电材料及其制备方法。

背景技术

随着化石能源日趋枯竭，寻找新的替代能源变得尤为迫切。热电材料是一种能够直接进行热能和电能相互转换的材料，具有安全可靠、不污染环境等优点，是能源环境领域的研究重点。近年来，以单晶SnSe为代表的新型高性能热电材料引起了广泛的关注。SnS作为SnSe的类似物，具有与SnSe类似的晶体结构和热电输运机制，同时S的成本相比于Se更加低廉，因此开发高性能的SnS热电材料意义重大。

然而，由于S的蒸汽压大，性质活泼，适用于单晶SnSe的合成方法并不能直接运用于SnS。在对SnS热电材料合成方法的探索中，Tan等采用机械合金化和放电等离子烧结并通过Ag掺杂成功制备了多晶型的P型SnS热电材料(Q.Tan,L.D.Zhao,J.F.Li,etal.Thermoelectrics with earth abundant elements:low thermal conductivity andhigh thermopower in doped SnS.Journal of Materials Chemistry A,2014,2(41):p.17302-17306.)；He等采用定向凝固法并使用Na作为掺杂剂得到了高性能的P型单晶SnS热电材料(W.He,D.Wang,J.-F.Dong,et al.Remarkable electron and phonon bandstructures lead to a high thermoelectric performance ZT1 in earth-abundantand eco-friendly SnS crystals.Journal of Materials Chemistry A,2018,6(21):p.10048-10056.)。

上述合成方法中，后者所制备的单晶SnS材料相比于前者所制备的多晶SnS材料而言，消除了晶界的影响，能够显著减弱晶界对载流子的散射效应，使得迁移率大幅上升，从而显著提高了材料的热电性能。但是，一个高效率的热电器件必须同时拥有性能相匹配的P型和N型部件，因此对N型热电材料制备方法的研究也同样重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种N型单晶SnS热电材料及其制备方法，所述制备方法在较大程度上提升了N型单晶SnS热电材料的热电传输性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种N型SnS单晶热电材料的制备方法，包括以下步骤：

将Sn粉、S粉和SnBr₂粉混合，球磨，得到多晶型SnS粉末；

将所述多晶型SnS粉末进行定向凝固，得到N型SnS单晶热电材料。

优选的，所述Sn粉、S粉和SnBr₂粉按照Sn、S和Br的摩尔比为1:(1-x):x的配比进行混合；

所述x的取值范围为：0.01≤x≤0.02。

优选的，所述球磨在保护气体中进行。

优选的，所述球磨的时间≥24h，所述球磨的转速≥150rpm，所述球磨的球料比≥20。

优选的，所述多晶型SnS粉末置于石英管中；