[发明专利]一种新型Zintl相热电材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型Zintl相热电材料，其化学式为YbMg₂Sb₂，所述新型Zintl相热电材料为纯相的六方晶系结构，能带结构计算所得禁带宽度为1.23eV，所述YbMg₂Sb₂热电材料掺杂Na，化学式为Yb_1‑xNa_xMg₂Sb₂，0≤x≤0.025。通过Yb位Na掺杂，提高载流子浓度，同时降低晶格热导率，从而提高热电性能，在温度为773K时达到最高热电优值～0.6。本发明制得了一种新型Zintl相热电材料，利用Na掺杂同时优化电和热输运性能，是一种极具应用潜力的热电材料，本发明推动了Zintl相热电材料的发展。

技术领域

本发明涉及热电材料领域，具体涉及一种新型Zintl相热电材料及其制备方法。

背景技术

热电材料是一种可将废热转换为电能的材料，它无传动部件、无噪音、无污染，因此近年来受到广泛关注。热电能量转换效率由热电材料的Carnot效率和热电优值(ZT)决定，ZT＝S²T/ρκ，S是塞贝克系数，ρ是电阻率，κ是热导率，T是绝对温度。热导率由晶格热导率(κ_L)、电子热导率(κ_e)和双极热导率(κ_B)三部分组成，一个好的热电材料必须同时拥有高塞贝克系数、低电阻率和低热导率。但是决定热电材料热电优值的三个物理参数塞贝克系数、电阻率和热导率之间相互关联，因此很难独立调控某个参数实现热电优值的显著提升，这也是目前为止热电材料热–电转换效率仍然保持较低水平的主要原因。

Zintl相热电材料作为一种典型的“电子晶体–声子玻璃”材料，其稳定的共价键结合的阴离子结构框架和离子键结合的阳离子无序结构促使其具有较高的迁移率和较低的热导率，因此Zintl相是一种热电性能优异的材料。由于晶体结构与载流子和声子的输运关系难以平衡，Zintl相化合物热电性能的进一步提升正处于一个瓶颈期，所以设计具有高热电性能的新型Zintl相化合物具有重要的实际应用价值。YbMg₂Sb₂就是这样一种新型Zintl相热电材料，其室温塞贝克系数很高，另外，考虑到YbMg₂Sb₂与具有相似Mg₃Sb₂的晶体结构，而Mg₃Sb₂是迄今为止Zintl相中具有最优热电性能的热电材料，因此，我们有理由相信在载流子浓度优化的电输运性能和较低晶格导热系数的情况下，YbMg₂Sb₂也可以具有与Mg₃Sb₂相当的热电性能。此外，由于Yb原子质量大于Mg原子质量，YbMg₂Sb₂的热电效率相比Mg₃Sb₂有望得到提高。本工作发明了一种新型YbMg₂Sb₂基Zintl相热电材料，通过在Yb位掺杂Na，使室温载流子浓度从2.7×10¹⁴cm^-3提高到9.56×10¹⁹cm^-3，同时利用声子工程降低晶格热导率，极大提高了热电性能。本发明为设计高性能Zintl相热电材料指明了方向，并证明了YbMg₂Sb₂是一种很有前景的热电材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型Zintl相热电材料及其制备方法，其化学式为YbMg₂Sb₂，通过Na掺杂，提高载流子浓度，同时降低晶格热导率，从而提高热电性能。

为此本发明采用如下技术方案：