[发明专利]中温用Ga2Te3基热电半导体及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及热电材料，是一种中温用Ga₂Te₃基热电半导体及制备方法。

背景技术

热电材料是一种通过载流子，包括电子或空穴的运动实现电能和热能直接相互转换的新型半导体功能材料。由热电材料制作的发电和制冷装置具有体积小、无污染、无噪音、无磨损、可靠性好、寿命长等优点。在民用领域中，潜在的应用范围如：家用冰箱、冷柜、超导电子器件冷却及余热发电、废热利用供电以及边远地区小型供电装置等。

热电材料的综合性能由无量纲热电优值ZT描述，ZT=Tsa²/k，其中a是Seebeck系数、s是电导率、k是热导率、T是绝对温度。因此，热电材料的性能与温度有密切的关系。迄今为止，所发现的均质热电材料，其最高热电优值（ZT）只在某一个温度值下才取得最大值。目前，已被小范围应用的中温用热电发电材料主要是50年代开发的Pb-Te基和金属硅化物系列合金，前者其最大热电优值在1.5左右，但Pb对环境污染较大，对人体也有伤害。后者的热电性能较低，其热电优值一般在0.3左右，最大热电优值ZT￡0.6。Ga₂Te₃基热电半导体的主要结构特点是各向异性，内部具有两维层片结构。在Ga₂Te₃中，Ga与Te原子成A、B、C三维交叠排列，在垂直于层面方向上，A、B、C三层上的阳离子空缺位处于同一位置。Ga原子始终位于以Te原子为顶点构成的四面体内部。因此，采用掺杂、合金固溶法以及设计材料制备方法等方法可以改善其热电性能。

在Ga₂Te₃两元合金内添加其它元素或化合物以形成合金是改善其性能的有效手段。形成多元合金的目的主要是在宽禁带Ga₂Te₃内部的两维层片结构间引进杂质能级，从而改变其能带结构，减小能隙，最终协调半导体材料内部的电输运和热输运。根据添加元素或化合物的不同，将形成p-型和n-型两种半导体材料。P-型半导体多子为空穴，n-型半导体多子为电子。但到目前为止，对于宽禁带Ga₂Te₃基块体材料的热电行为报道甚少，目前还没有详细的有关Ga₂Te₃基块体材料综合热电性能即无量纲热电优值（ZT）的报道。

材料制备方法对材料的性能关系极大。由于Ga₂Te₃基材料呈各向异性，因此通过改变制备方法，例采用布尔其曼法、区熔法、热挤压法均得到明显的各向异性材料，但生产规模受到限制。另外，为获得Ga₂Te₃基单相半导体材料，制备方法极为复杂，因为在785^oC和484^oC时Ga₂Te₃相可以分别分解出GaTe和Ga₂Te₅相。Ga₂Te₅相的存在温区为407～484^oC，在484^oC时会发生G₂Te₃+L?Ga₂Te₅的包晶反应；在407^oC以下Ga₂Te₅会转变成Ga₂Te₃+Te的混合物。因此为获得纯Ga₂Te₃相，合金须从熔体温度直接空冷到390^oC左右，以避免GaTe相的结晶，并使得Ga₂Te₅相全部转化成Ga₂Te₃。

发明内容

本发明是选择金属元素Cd作为Ga₂Te₃热电半导体内部的添加元素，提高热电转换性能，旨在向本领域提供一种中温用Ga₂Te₃基热电半导体及制备方法。其目的是通过如下技术方案实现的。