[发明专利]钡铜碲基p型热电材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钡铜碲基p型热电材料及其制备方法。本发明涉及由以下通式表示的化合物：Ba_1‑xR_xCu_aTe_2‑zQ_z,其中R为元素Ca或Sr,X为R掺杂的实际组分，范围在0≤x≤0.1；a为元素Cu的实际组分，范围在1.90≤a≤2.10；Q为元素Se和Cl中的至少一种，z为Q掺杂的实际组分，范围在0≤z≤0.3。采用真空或惰性气氛下的固相合成，快速等离子烧结（SPS）或热压烧结致密陶瓷样品的制备方法。制得的所得钡铜碲基纯样ZT值达到0.85，而微量掺杂元素的钡铜碲基热电性能进一步提高，可将其应用于热电转换发电或制冷领域。

技术领域

本发明属于热电转换材料领域，涉及一种钡铜碲基p型热电材料及其制备方法。该材料在800K附近温区具有优异的热电性能。

背景技术

热电转换技术利用半导体材料的塞贝克效应(Seebeckeffect)和帕尔贴效应(Peltiereffect)可实现热能与电能的直接相互转换，包括热电发电和热电制冷,，有望为提高能源的利用率、缓解环境污染问题提供一种综合协调的途径：GoldsmidHJ,ElectronicRefeigeration,PionLimited,1986)。热电器件具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、适用温度范围广等特点。它作为一种特殊电源和高精度温控器件，在空间技术、军事装备、信息技术等高新技术领域获得了普遍应用。热电材料性能优值(ZT)是表示热电材料转换效率高低的唯一指标。该值定义为:ZT＝S2σT/κ，其中S是材料的泽贝克系数，也称为热电势，σ是电导率，T是绝对温度，κ是热导率。热电优值越高，热电转换性能越好。根据材料载流子输运种类不同，可以分为n型(电子导电)和p型(空穴导电)。尽管热电材料具有如此多的优点，但是目前现有的热电材料的转换效率还比较低，限制了热电材料的广泛应用。目前商用热电材料的ZT值在1.0左右，相应器件的能量转换效率小于10％，远远低于普通热机约35％的发电效率。.然而理论计算表明，热电材料的ZT值并无上限，其能量转换效率可以无限接近卡诺循环效率。因此，提高传统热电材料的ZT值和寻找高ZT值的新型材料成为了该领域的主要目标。

1995年Slack提出了“电子晶体一声子玻璃”的设计理念，即热电材料具有晶体导电性能的同时，又能像玻璃一样具有较高的声子散射能力。参见：SlackGA.DesignConceptsforImprovedThermoelectricMaterials[J].MrsProceedings,1997,478。从结构化学的角度来看，Zintl相化合物满足“电子晶体一声子玻璃”结构特征。ziml相化合物是电正性阳离子和电负性阴离子基团组成的金属间化合物，电正性阳离子提供电子给电负性阴离子基团，阴离子基团成键满足共价键规则。Zintl相化合物结构中既有离子键又有共价键成分，Zintl相化合物属于典型的窄禁带半导体，具有复杂的晶体结构特征，从而具有低的晶格热导率，这些都是优良热电材料所必备的特性。目前对于Zintl相的研究还处于起步阶段，发现的热电转换效率还很低。但也有少部分性能优异的Zintl相化合物被发现，典型的代表有Yb14MnSb11，参见：

1.BrownSR,KauzlarichSM,GascoinF,etal.Yb14MnSb11:Newhighefficiencythermoelectricmaterialforpowergeneration[J].Chemistryofmaterials,2006,18(7)，1873-1877。

2.YbCd1.6Zb0.4Sb2[4](WangXJ,TangMB,ChenHH,etal.SynthesisandhighthermoelectricefficiencyofZintlphaseYbCd2-xZnxSb2[J]。

3.AppliedPhysicsLetters,2009,94(9):092106.)，Mg3Sb2[5]。