[发明专利]一种单质碲基复合热电材料的制备方法

说明书

一种单质碲基复合热电材料的制备方法，属于热电材料领域，其特征在于该热电材料化学式为Te_1‑x(Sb₂Se₃)_x，0≤x≤0.2。本发明所述制备方法包括如下步骤：按上述化学式摩尔分数配比称量各原料组分，将Te块、Sb粉和Se粉真空封装于镀碳石英管中；再将石英管置于垂直管式炉中熔炼；随后进行退火处理；最后将得到的铸锭研磨成细粉，再进行放电等离子烧结成致密的块体具有很低的热导率和较高的热电性能，其热电优值达到0.95。本发明通过熔炼工艺、退火工艺、放电等离子烧结工艺来提高单质碲基复合热电材料的热电性能。与现有技术相比，通过引入硒化锑组元，实现载流子浓度和晶格热导率的协同优化，工艺过程简单可控，成本低。

技术领域

本发明一种单质碲基复合热电材料的制备方法属于热电材料领域，尤其是涉及一种通过调控Sb2Se3组元含量，优化空穴载流子浓度区间，同时在Te基体中构建包含零维置换位点缺陷、一维位错、二维晶界和三维第二相的多维缺陷结构的单质碲基复合热电材料及其制备方法。

背景技术

热电能量转换材料，作为一种无污染物排放、无传动部件、无噪声、高可靠性的新能源材料，能够基于塞贝克效应，利用固体内部载流子定向运动直接将热能转换为电能，是极具应用前景的新一代绿色能源技术。

热电材料的能量转化效率通常用无量纲热电优值ZT来表征，ZT = S²σT/κ , 其中：T为绝对温度，S是塞贝克系数，σ是电导率，κ是总热导率。总热导率κ由电子热导率κ_e和晶格热导率κ_L两部分组成。由于决定热电优值ZT的三个物理参数塞贝克系数S、电导率σ、电子热导率κ_e之间存在着强烈的相互耦合作用，使得通过单独的参数调控不能有效提升材料的热电性能。而晶格热导率是一个可以相对独立调控的影响材料热电性能的参数。所以，通过协同调控电传输和热传输关系，即化学掺杂增强功率因子(S²σ), 同时构建多尺度缺陷结构增强声子散射来降低其晶格热导率κ_L，进而实现ZT值的净增长一直是热电材料领域的研究目标。

Te是一种重要的单质热电能源材料，目前获得了很高的ZT值主要通过载流子浓度的优化，以提升其电传输性能。2017年裴艳中和赵立东课题组相继通过As、Sb、Bi单一元素掺杂，将载流子浓度提高到10¹⁹cm^-3。但目前对Te热传输性质的相关研究还比较少，Te的晶格热导率的降低仍然面临挑战，通过适当的方法制备低热导率的高性能Te基热电材料具有重要的意义。

发明内容

本发明一种单质碲基复合热电材料的制备方法的目的在于：克服现有技术存在的不足，提供一种具有低晶格热导率的新型单质Te基热电材料及其制备方法的技术方案，通过调控Sb₂Se₃组元含量，优化空穴载流子浓度区间，同时在Te基体中构建包含零维置换位点缺陷、一维位错、二维晶界和三维第二相的多维缺陷结构，降低整个工作温度区间内的材料的晶格热导率，使材料的电-热输运性能得到协同优化，实现基于Te单质多晶体的材料热电性能的提高。

本发明的目的可以通过以下技术解决方案来实现：

本发明一种单质碲基复合热电材料，其特征在于是一种通过调控Sb₂Se₃组元含量，优化空穴载流子浓度区间，同时在Te基体中构建包含零维置换位点缺陷、一维位错、二维晶界和三维第二相的多维缺陷结构，降低整个工作温度区间内的材料的晶格热导率，使材料的电-热输运性能得到协同优化，实现基于Te单质多晶体的热电性能提高的一种单质碲基复合热电材料，其化学通式为Te_1-x(Sb₂Se₃)_x，其中0≤x≤0.2。

优选的，x＝0.02～0.15,该范围内空穴载流子浓度相对较优。