一種非晶/納米晶複合熱電材料及其製備方法

2023-11-09 21:58:17 2

專利名稱：一種非晶/納米晶複合熱電材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種非晶/納米晶複合熱電材料及其製備方法，屬於半導體材料領域。
背景技術：
熱電材料是一種通過載流子(電子或空穴)的運動實現電能和熱能直接相互轉換的半導體材料。當熱電材料兩端存在溫差時，熱電材料能將熱能轉化為電能輸出；或反之在熱電材料中通以電流時，熱電材料能將電能轉化為熱能，一端放熱而另一端吸熱。熱電材料在製冷或發電等方面有廣泛的應用前景。用熱電材料製造的發電裝置可作為深層空間太空飛行器、野外作業、海洋燈塔等的電源，或用於工業餘熱、廢熱發電。用熱電材料製造的製冷裝置體積小、不需要化學介質，可應用於小型冷藏箱、計算機晶片和雷射探測器等的局部冷卻、醫用可攜式超低溫冰箱等方面，更廣泛的潛在應用領域將包括家用冰箱、冷櫃，車用或家用空調裝置等。用熱電材料製造的裝置具有無機械運動部件、無噪聲、無磨損、結構簡單、體積形狀可按需要設計、壽命長等突出優點。現今環境與能源問題得到廣泛關注，熱電轉換技術在上述領域展現了巨大的應用潛力，然而熱電轉換技術的普及關鍵是高性能熱電半導體材料的研究與開發。
熱電材料的性能用無量綱參數「熱電優值」ZT表徵ZT＝(2σT/κ)。這裡α是材料的熱電勢係數，σ是電導率，κ是熱導率，T是絕對溫度。在熱電材料中，長期以來主要集中在晶體材料的研究，例如傳統的Bi2Te3，PbTe等熱電半導體材料，近來出現了一些二維與一維納米結構材料如PbTe/PbSeTe的超晶格材料，Bi2Te3以及Bi的納米管，納米線，納米囊等新型熱電材料，這些晶體材料的熱電優值ZT長期處於1左右，無法得到廣泛的應用。對於非晶材料熱電性能的研究主要處於理論研究的層面上，並且是單純的非晶半導體，如非晶Si，Ge，As等等。非晶材料的熱電勢高，但是電導率低，因此無法滿足高熱電優值熱電材料的要求。

發明內容
本發明的目的是提供一種工藝簡便、成本較低、熱電性能優異的非晶/納米晶複合熱電材料及其製備方法。
本發明的非晶/納米晶複合熱電材料，是在表達式為Ge20SbxTe80-x的非晶基體中分布著大小在5～20nm的GeTe和Te的納米晶顆粒，式中0≤x≤5。
非晶/納米晶複合熱電材料的製備方法，步驟如下1)按Ge20SbxTe80-x，其中0≤x≤5的化學式計量比，取鍺、銻和碲原料，將原料於800～850℃下真空熔煉成熔體，然後將熔體迅速投擲到-269～-196℃的低溫介質中凝固形成非晶塊基體；2)將非晶塊基體置於真空退火爐中，於100～160℃熱處理30-240min。
上述的低溫介質可以是液氮或液氦。原料可選用市售的鍺粒，銻塊和碲塊。
熱處理過程中，非晶基體中析出GeTe和Te的形核核心，調節熱處理溫度和時間可以控制非晶基體中納米晶的核長大過程，使形核核心長大到5～20nm，從而製備出大量均勻的，界面清潔的納米晶顆粒分布在非晶基體中，起到量子點的作用。
本發明的有益效果在於(1)製備方法簡單易行，工藝參數控制容易，製備的複合熱電半導體材料中納米晶原位析出，分布均勻，沒有團聚，且非晶/納米晶界面清潔。
(2)本發明採用真空熔煉/低溫快速凝固法製備的非晶基體的直徑可達10mm以上，因此製備的非晶/納米晶複合熱電材料具有尺寸大的特點，可用於大器件的製造。
(3)本發明的熱處理工藝，可以很好的控制非晶基體中的納米晶顆粒的形成與長大，可以根據需要來調控納米晶顆粒的數量以及其尺寸。
(4)通過在非晶基體中原位生成納米晶，可以顯著的改善非晶基體的電導率，獲得具有高電導率，高熱電勢和低熱導率綜合優良性能的熱電材料，實現熱電材料宏觀性能的突破。


圖1是非晶/納米晶熱電材料的XRD圖。
具體實施方法下面通過具體的實例來說明本發明，但本發明不限於下述實例。
實施1Ge20Te80非晶/納米晶複合熱電材料的製備1)按Ge20Te80的化學式計量比，稱取鍺粒和碲塊，將鍺粒和碲塊置於石英真空封管中，在850℃下真空熔煉成熔體，然後將石英管迅速的置入液氮中，得到直徑約10mm，長度10cm，表面光潔的非晶基體，經過XRD測試，製備的非晶基體為完全非晶，不含結晶相；2)將製備的非晶基體在真空退火爐中退火，爐內的真空度為10-3Pa，升溫至160℃進行240min保溫，冷卻，得到非晶/納米晶複合熱電材料，通過XRD，HRTEM和熱電性能檢測，確定為緻密的非晶/納米晶熱電半導體材料。其XRD圖如圖1所示，非晶衍射峰上分布著GeTe和Te結晶峰。
實施2含5％的Sb的Ge20Sb5Te75非晶/納米晶複合熱電材料的製備1)按Ge20Sb5Te75的化學式計量比，稱取鍺粒，銻塊和碲塊，將鍺粒，銻塊和碲塊置於石英真空封管中，在800℃下真空熔煉成熔體，然後將石英管迅速的置入液氦中，得到直徑約10mm，長度10cm，表面光潔的非晶基體，經過XRD測試，製備的非晶基體為完全非晶，不含結晶相；2)將製備的非晶基體在真空退火爐中退火，爐內的真空度為10-3Pa，升溫至100℃進行30min保溫，冷卻，得到非晶/納米晶複合熱電材料，通過XRD，HRTEM和熱電性能檢測，確定為緻密的非晶/納米晶熱電半導體材料。
權利要求
1.一種非晶/納米晶複合熱電材料，其特徵是在表達式為Ge20SbxTe80-x的非晶基體中分布著大小在5～20nm的GeTe和Te的納米晶顆粒，式中0≤x≤5。
2.權利要求1所述的非晶/納米晶複合熱電材料的製備方法，其特徵在於步驟如下1)按Ge20SbxTe80-x，其中0≤x≤5的化學式計量比，取鍺、銻和碲原料，將原料於800～850℃下真空熔煉成熔體，然後將熔體迅速投擲到-269～-196℃的低溫介質中凝固形成非晶塊基體；2)將非晶塊基體置於真空退火爐中，於100～160℃熱處理30～240min。
3.根據權利要求2所述的非晶/納米晶複合熱電材料的製備方法，其特徵在於所說的低溫介質是液氮或液氦。
全文摘要
本發明公開的非晶/納米晶複合熱電材料，是在表達式為Ge
文檔編號H01L35/34GK1937272SQ200610053779
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月10日 優先權日2006年10月10日
發明者朱鐵軍, 閆風, 趙新兵 申請人:浙江大學