[发明专利]一种垂直区熔炉及利用其制备铋化镁基热电晶体的制备方法

说明书

本发明提供了一种垂直区熔炉及利用其制备铋化镁基热电晶体的制备方法，所述垂直区熔炉自上而下依次包括加热模块Ⅰ、隔断层Ⅰ、加热模块Ⅱ、隔断层Ⅱ和加热模块Ⅲ；所述垂直区熔炉中使用的坩埚包括双镀碳石英管或氮化硼坩埚‑石英管联用，能够减缓镁熔体和蒸汽腐蚀，保证晶体生长成功；利用该垂直区熔炉制得的铋化镁基热电晶体尺寸大，具有良好的热电性能和机械性能，且方法简单，易于工业化。

技术领域

本发明属于新型能源材料领域，具体涉及一种垂直区熔炉及利用其制备铋化镁基热电晶体的制备方法。

背景技术

热电转换技术对于解决集成电路和电子期间的热效应问题具有巨大的实际意义。热电材料具有体积小、重量轻、坚固、无噪音、无污染、寿命长、易于控制等优点，备受关注。热电转换技术是利用热电半导体材料的塞贝克(Seebeck)效应和帕尔帖(Peltire)效应，实现热能与电能的相互转换(温差发电与热电制冷)。热电效率主要由材料的无量纲性能优值ZT决定，ZT＝(S²σ/κ)T。由此可见，在一定的温度T下，实现高的高热电效率，往往需要较大的温差电动势S，较高的电导率σ和较低的热导率κ。开发具有高热电优值的热电材料对于解决电子器件和集成电路的热问题具有巨大的实际应用意义。

铋化镁(Mg₃Bi₂)基热电材料是性能优异的室温和中低温热电材料，在热电制冷和低品热发电等方面有重要的应用。2019年，n-Mg_3.2Sb_0.5Bi_1.498Te_0.002合金材料在350K的ZT值已经达到0.9；用n-Mg_3.2Sb_0.5Bi_1.498Te_0.002合金和p-Bi_0.5Sb_1.5Te₃制作的制冷器件，当热端温度350K时，达到了91K的温差，可以媲美商用的n-Bi₂Te_3-xSe_x合金基制冷器件。

Mg₃Bi₂基晶体室温下具有CaAl₂Si₂构型的层状结构，可以无限固溶，空间群是P_-3m₁(164)，由八面体配位阳离子Mg²⁺层和四面体配位阴离子结构(Mg₂Bi₂)^2-组成，形成一个三维化学键网络，层间键主要是离子键和部分共价键。但是，目前单晶样品主要是通过助溶剂法(Flux method)获得，尺寸有限，也没有该类晶体完整的各向异性电、热输运性能方面的研究，晶体生长工艺限制了这类材料的研究与应用。

因此，亟需一种新的Mg₃Bi₂基晶体生长方法，实现大尺寸Mg₃Bi₂基晶体的制备，同时兼具良好的热电性能和机械性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种垂直区熔炉及利用其制备铋化镁基热电晶体的制备方法，所述垂直区熔炉自上而下依次包括加热模块Ⅰ、隔断层Ⅰ、加热模块Ⅱ、隔断层Ⅱ和加热模块Ⅲ；所述垂直区熔炉中使用的坩埚包括双镀碳石英管或氮化硼坩埚-石英管联用，能够减缓镁熔体和蒸汽腐蚀，保证晶体生长成功；利用该垂直区熔炉制得的铋化镁基热电晶体尺寸大，具有良好的热电性能和机械性能，且方法简单，易于工业化。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目的之一在于提供一种垂直区熔炉，所述垂直区熔炉自上而下依次包括加热模块Ⅰ、隔断层Ⅰ、加热模块Ⅱ、隔断层Ⅱ和加热模块Ⅲ；所述垂直区熔炉中使用的坩埚包括双镀碳石英管或氮化硼坩埚-石英管联用。