[发明专利]具有增强的热电功率因子的热电合金

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年4月13日提交的美国临时申请号61/168,908和2009年12月17日提交的美国临时申请号61/287,669的权益，其每篇通过引用以其整体并入本文。

背景

领域

本申请一般地涉及热电材料，并且更具体地涉及包含半导体化合物的热电装置。

相关领域描述

用于在室温下或接近室温(300K)下冷却和热泵操作的典型热电材料是组成为(Bi_1-xSb_x)₂(Te_1-ySe_y)₃的合金。这类合金的范例是二元窄隙半导体Bi₂Te₃。一般地，n-和p-型的二元单晶Bi₂Te₃及一些(Bi_1-xSb_x)₂(Te_1-ySe_y)₃多晶合金的热电优值(figure of merit)ZT＝TS²σ/κ(S是热电功率或Seebeck系数，而σ和κ分别是电导率和热导率)在300K大约为1。单晶形式的二元Bi₂Te₃的优值仅在垂直于三次对称轴(trigonal axis)的方向上在300K达到大约为1，而沿着三次对称轴方向在300K仅达到垂直于三次对称轴的方向的值的大约一半。n-型Bi₂Te₃的ZT值一般比p-型Bi₂Te₃的稍高(不超过20％)。n-型和p-型二元Bi₂Te₃的最佳掺杂水平是大约n或p＝2×10¹⁹至3×10¹⁹cm^-3，在p-型侧具有更多偏差。(Bi_1-xSb_x)₂(Te_1-ySe_y)₃合金的优势包括它们是多晶的，因此它们的性质是各向同性的，并且ZT对于掺杂水平的灵敏性比在二元化合物中更不明显；所有这些简化了它们的制备。好的p-型合金具有掺杂至大约n＝4×10¹⁹至7×10¹⁹cm^-3的大致为Bi₈Sb₃₂Te₆₀的组成或掺杂至大约同样水平的Bi₁₀Sb₃₀Te₆₀的组成(更具各向异性)。好的n-型材料具有掺杂为大约3×10¹⁹至10×10¹⁹cm^-3的Bi₂Se_0.075Te_2.925的组成或掺杂至大约相同电子浓度的Bi₂Se_0.15Te_2.85的组成。已获得的最佳值是大约n＝4×10¹⁹cm^-3(H.Scherrer和S.Scherrer，“碲化铋、碲化锑及它们的固溶体(Bismuth telluride，antimony telluride and their solid solutions)”，第211页，CRC Handbook of thermoelectrics，编者D.M.Rowe，CRC Press，Boca-Raton，FL(1995))。

Bi₂Te₃以通过垂直于三次对称轴的叠层形成的六方晶胞结晶。形成的顺序是：

-[Te⁽¹⁾-Bi-Te⁽²⁾-Bi-Te⁽¹⁾]-[Te⁽¹⁾-Bi-Te⁽²⁾-Bi-Te⁽¹⁾]-