[发明专利]通过Sb和Cu2

说明书

本发明属于材料领域，公开了通过Sb和Cu₂Te共掺杂提高n型PbTe热电性能的方法，按0.975:0.025:1:x的摩尔比例分别称取Pb粉、Sb粉、Te粉和Cu₂Te粉末，其中x的范围为0.004‑0.016，随后装入石英管中真空封管，依次通过箱式炉烧结、冷水淬火、箱式炉退火、冷水淬火、快速热压炉烧结，得到Sb和Cu₂Te共掺杂的n型PbTe热电材料。本发明方法制备工艺简单，操作性强，可重复性高，所制得的PbTe掺Sb、Cu₂Te化合物具有结晶度高、致密度高等特性，并可大幅提高PbTe热电材料的性能，具有很强的应用前景。

技术领域

本发明属于热电材料领域，涉及一种通过Sb和Cu₂Te共掺杂提高n型PbTe热电性能的方法。

背景技术

自工业革命开始，经济社会得以高速发展离不开对能源的大量消耗，而能源短缺现已成为影响人类社会发展的重大问题。一方面，传统化石能源燃料如煤、石油、天然气等不可再生资源的开采已近枯竭，且其使用过程中会产生环境污染。另一方面，人类社会的发展也使得世界人口总量不断增加，这势必会加剧能源短缺与环境污染。因此，如何解决世界性能源危机和环境污染问题成为了各国关注的焦点。

热电材料是一种利用温差即可直接实现热能到电能直接相互转换的功能材料，具有体积小，可靠性高，无污染物排放等特点。其基于塞贝克效应的温差发电技术已成功应用于以放射性同位素或小型核反应堆供热的热电器件作为唯一的供电系统的太空探测器中。此外，热电材料在废热回收利用、地热能的开发以及太阳光热的复合发电等新能源技术领域也展现了潜在的价值和广阔的前景，这对于应对能源危机与环境污染具有很强的现实意义。

热电材料的性能主要由无量纲量ZT值来衡量，其表达式为：ZT=TS²σ/κ，其中S、σ、κ分别表示Seebeck系数、电导率和热导率。如何大幅度提高 Seebeck 系数和电导率，同时有效降低热导率以获取尽可能高的 ZT 值是热电领域研究的核心内容。然而 S、σ、κ三个参数因与载流子浓度密切相关而相互耦合，使热电性能的改善受到实际条件的制约。

PbTe热电材料体系是中温区范围内(600-900 K)性能最好的热电材料之一。p型PbTe由于双价带参与电运输使其热电优值早已突破2.0的大关，而n型PbTe只有一条导带参与电运输导致热电性能远低于p型PbTe。从实际应用角度考虑，理想热电器件的p、n型热电臂必须具有相同的热电性能，因此亟需提高n型PbTe材料的热电优值以实现热电材料的大规模商业化应用。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种制备工艺简单，热电优值高且可用于热电转换和热电机理研究的n型PbTe基热电材料的制备方法。

具体的技术方案为：

通过Sb和Cu₂Te共掺杂提高n型PbTe热电性能的方法，包括以下步骤：

（1）按0.975:0.025:1:x的摩尔比例分别称取Pb粉、Sb粉、Te粉和Cu₂Te粉末，其中x的范围为0.004-0.016；随后将称量好的原料依次装入洗净Φ=20 mm的石英管中；

（2）使用机械泵将石英管抽至低真空度，再用分子泵抽至10^-3 Pa并利用氢氧发生机的高温火焰封管；

（3）将密封好的石英管放入高温箱式炉中进行第一次烧结；

（4）第一次烧结升温：经过250~600min从室温升至1000℃，保温360min，随后迅速取出石英管并置于冷水或冰水中淬火；