[发明专利]一种高性能PbTe基N型热电材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高性能PbTe基N型热电材料及其制备，该热电材料的化学式为Cu_xPbTe_0.75Se_0.25，其中，0＜x≤0.75％。与现有技术相比，本发明通过使用异价的间隙铜原子掺杂，铜原子在进入晶格后，在间隙位置能够释放电子，调节载流子浓度，使材料表现出N型半导体的性质。由于加入的间隙铜原子在PbTe_0.75Se_0.25材料体系中具有随温度不断增大的溶解度，从而在升温过程中能够获得随温度升高而增大的载流子浓度，实现载流子浓度的动态优化，增强了材料的电学输运性能；此外，间隙铜原子的聚集能够材料中引入高密度的晶内位错，这些位错缺陷能在材料中引入显著的晶格应变，从而大幅降低材料的晶格热导率，大大优化材料的热学性能。

技术领域

本发明属于热电材料技术领域，涉及一种高性能PbTe基N型热电材料及其制备方法。

背景技术

随着化石能源(石油、煤、天然气等)的日益枯竭，寻找新型环保的可再生能源以维持人类的可持续发展已经成为全世界各国研究热点。近年来，凭借可以直接将温差转换为电势差，没有任何机械振动，不产生任何排放和噪音等优势，热电材料的热电转换特性受到了越来越多研究者的关注。热电材料是一种能够通过固体中载流子的输运实现热能和电能之间相互转换的新型功能材料，其热能和电能的直接转换是基于半导体的塞贝克(Seebeck)效应和帕尔帖(Peltier)效应来实现的。

目前，热电材料较低的转换效率限制了它的大规模商业应用。因此，提升热电材料的能量转换效率成为研究热点。热电材料的能量转换效率与无量纲的热电优值(zT值)直接相关，其表达式可以写成zT＝S²T/ρ(κ_E+κ_L)，其中S，ρ，T分别是塞贝克(Seebeck)系数，电阻率和绝对温度，κ_E和κ_L分别是电子运动和晶格振动产生的热导率。因此，一种性能优异的热电材料需要同时具有较小的电阻率，较大的塞贝克(Seebeck)系数以及较小的热导率，这就为提升热电性能的研究指明了方向。由于电阻率、塞贝克系数和电子热导率之间通过载流子浓度这一物理量强烈耦合，无法单一地调控，单纯调控单一量会引起其他两个物理量的反向补偿，因此电性能的指标功率因子PF(PF＝S²T/ρ)会存在一个最优值，可以通过掺杂产生带电缺陷调节载流子浓度的方式达到这个极值。最新发展起来的能带工程可以对材料的能带简并度Nv(参与导电的能带数)、md*(态密度有效质量)等参量进行调控，实现电学参量的解耦，从而提高材料功率因子的最优值。在决定zT值大小的物理量中，晶格热导率(κ_L)是唯一可以独立调控的参量，由其关系表达式κ_L＝1/3C_vv_g²可得，具有低群速度v_g，低比热C_v的材料体系都能够获得低的晶格热导率，此外，也可通过降低声子的弛豫时间来获得降低材料的晶格热导率，这可以通过在热电材料中引入不同维度(点缺陷、位错、纳米结构等)的缺陷来增加声子的散射来实现。

碲化铅(PbTe)材料是最传统的中温区(500～900K)IV-VI族热电材料之一，近年来，研究人员通过能带调控、缺陷工程等策略已经将P型PbTe材料的zT峰值提升至2.7左右，整个温区内的平均zT值已经超过1.5。但是，相对于P型PbTe材料，N型PbTe材料的热电性能较差，研究较少。目前，大多数N型PbTe热电材料体系的zT峰值仅仅为1.4左右，这种性能的不匹配严重制约了PbTe基热电器件的性能。由于N型热电材料能带结构简单，很难通过能带调控实现热电性能的提升。因此，如何实现对N型PbTe热电材料的热电性能的提升则一直是本领域的难题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高性能PbTe基N型热电材料及其制备方法。通过缺陷工程策略，优化N型PbTe热电材料的电学性能和引入多维度缺陷最小化晶格热导成为提升N型碲化铅(PbTe)材料热电性能的主要策略。