[发明专利]用于纳米结构热电材料中高品质因数的方法

说明书

与相关申请的交叉引用

本申请是2004年10月29日提交的序号为10/977,363的美国专利申请“Nanocomposites with High Thermoelectric Figures ofMerit”的部分继续，且要求了2006年12月1日提交的序号为60/872,242的美国临时专利申请“Methods for High Figure of Meritin Nanostructured Thermoelectric Materials”的权益。所有这些申请的内容通过引用完整地包含于此。

技术领域

本申请总地涉及热电材料及其制造方法，且更具体地涉及具有增强的热电特性的这样的热电材料。

背景技术

任何材料的热电特性能够通过称为品质因数Z(或无量纲的品质因数ZT)的量来表征，所述品质因数Z限定为Z＝S²σ/k，其中S是塞贝克(Seebeck)系数，σ是电导率且k是总热导率。希望构造具有高ZT值(例如，具有低热导率k和/或高功率因数S²σ)的材料。通过例子，这样的材料能够潜在地用于构造高质量功率生成装置和冷却装置。

发明内容

在一个方面中，本发明针对制造热电材料的方法，所述方法通过由例如热电块体材料的起始材料生成多个纳米颗粒且将那些纳米颗粒在压力和高温下压实以形成热电材料，所述热电材料在例如低于大于2000℃、低于大约1000℃、低于大约600℃、低于大约200℃或低于大约20℃的温度下具有比热电起始材料更高的ZT值。在一些情形中，所形成的材料的峰值ZT值能够比起始材料的峰值ZT值高大约25％至大约1000％。在其他情形中，所形成的材料的峰值ZT能够大体上高于起始材料的峰值ZT的1000％。

术语“纳米颗粒”在本领域中是一般地已知的，且在此用于指具有小于大约1微米的尺寸(例如，平均尺寸或最大尺寸)的材料颗粒，例如所述尺寸在从大约1nm至大约1000nm的范围内。优选地，尺寸能够小于大约500纳米(nm)，优选地在大约1nm至大约200nm的范围内，且更优选地在大约1nm至大约100nm的范围内。纳米颗粒能够例如通过将起始材料打碎为纳米尺寸的块(例如，使用干磨、湿磨或其他合适的技术的任何技术来磨制)来生成。在一个例子中，球磨能够用于实现希望的纳米颗粒。可选地，在生成纳米颗粒时也能够采用冷却(例如，在磨制起始材料时冷却该起始材料)，以进一步降低颗粒的尺寸。一些其他生成纳米颗粒的方法能够包括从气相的凝结、湿化学方法和形成纳米颗粒的其他方法。在一些情况中，不同元素材料(例如，铋或碲)的纳米颗粒能够分开地生成，且随后压实为作为结果的热电材料，如在下文中进一步论述。

纳米颗粒能够在所选择的温度和所选择的压力下压实，以导致纳米颗粒之间的电耦合足以形成作为结果的热电材料。通过例子，包括电流导致的热压(但也已知为等离子压力压紧，“P²C”，或放电等离子烧结，SPS)、单向热压和均衡热压过程的热压能够用于实现纳米颗粒的压实。所选择的压力例如能够在大约10Mpa至大约900Mpa的范围内，或在大约40Mpa至大约300Mpa的范围内，且优选地在大约60Mpa至大约200Mpa的范围内。所选择的温度例如能够在大约200℃至大约热电材料的熔点(例如，200℃至大约2000℃)之间的范围内，或在大约400℃至大约1200℃的范围内，或在大约400℃至大约600℃的范围内，或在Bi₂Te₃基材料的情况中在大约400℃至大约550℃的范围内。

在相关的方面中，在以上的方法中，将纳米颗粒压实指将纳米颗粒压紧以提供具有在各自的理论致密度的大约90％至大约100％的范围内的致密度的材料(例如，孔隙率小于大约10％或小于大约1％)。

在相关的方面中，通过例如在以上所论述的本发明的方法生成的热电材料具有大于大约1、大于大约1.2、大于大约1.4、且优选地大于大约1.5、且最优选地大于大约2的ZT值(例如，峰值ZT值)。另外，在许多实施例中，热电材料在一定的运行温度下具有高ZT值，其能够取决于例如材料的熔点，例如对于Bi₂Te₃基材料在低于大约300℃的温度。升高的ZT值也能够取决于掺杂水平和/或材料的微结构。