[发明专利]稀土元素双掺纳米晶In2O3基热电陶瓷材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明是一种稀土元素双掺纳米晶In₂O₃基热电陶瓷材料的制备方法，属于材料科学领域，

背景技术

热电材料是能直接进行热能和电能相互转换的功能材料。利用温差电材料构制的热电器件在存在温度梯度的条件下通过塞贝克(Seebeck)效应可输出电能，被称之为温差电池；另一方面，热电器件还可以通过珀尔帖(Peltier)效应产生温差达到电子制冷的效果。热电转换具有器件体积小、可靠性高、不排放污染物质、适用温度范围广等特点，是一种环境友好的能量转换技术。随着材料科学技术的发展以及对能源与环境问题的重视，热电能量转换研究已成为近年来一个迅速增长、活跃的研究领域，高性能热电材料及其应用技术在世界范围内受到越来越多的关注，并且取得一些重要进展，我国相关研究机构研究人员在热电材料研究方面也做出了很多在国际上有影响的工作。

热电材料的性能一般用无量纲热电优值ZT(ZT＝α²σT/κ，其中α、σ、κ、T分别代表材料的Seebeck系数、电导率、热导率和绝对温度)来表示。优良的热电材料应当具有高的Seebeck系数绝对值、高的电导率和低的热导率。目前所研究的热电材料包括金属固溶体，合金半导体和氧化物热电材料，长期以来研究重点集中在Bi₃Te₂基合金、填充式Skutterudites型合金及Half-Heusler合金等体系，但这类合金熔点低、含有有害物质、在温度较高时易氧化等限制了其在热电发电方面的应用。与非氧化物系列材料相比，氧化物基陶瓷热电转换材料具有高温化学稳定性、耐热、合成制备容易、可以在大气环境中长期使用等优点，并且无污染、无毒性、制备工艺简单，在中高温区热电领域具有很大的应用潜力，适合于利用低品位热能(如工业余热、废热、太阳能等)进行发电。目前，氧化物热电材料的研究已经形成了一个具有重要研究和实用意义的研究方向。

In₂O₃作为一种宽禁带的半导体，一直在气体感应、光透性和光电子性领域发挥着巨大的潜力，并得到了广泛的关注，大量的研究集中在透明导体材料的薄膜上。法国科学研究中心的D.Bérardan，E.Guilmeau，等人利用传统固相烧结合成的高价元素Sn、Ti、Zr、Ta、Nb、Ge等掺杂的In₂O₃基陶瓷，研究表明载流子浓度可达到10^-20cm^-3以上，功率因子800℃时可达到最大0.9×10^-3Wm^-1K^-2，ZT约为0.3，对应其热导率为3Wm^-1K^-1左右。[E.Guilmeau，D.Bérardan，Ch.Simon，A.Maignan，B.Raveau，D.Ovono Ovono，F.Delorme.J.Appl.Phys.106，053715(2009)；D.Bérardan，E.Guilmeau，A.Maignan，B.Raveau.Solid State Commun.146，97(2008)]但In₂O₃基体系热导率相对较高，在此基础上很难再能提高其热电传输性能。

发明内容

本发明正是针对上述现有技术状况而设计提供了一种稀土元素双掺纳米晶In₂O₃基热电陶瓷材料的制备方法，其目的是通过固相合成前驱体粉末和放电等离子烧结合成一系列锌和镧系元素双掺的In-O基热电陶瓷，通过掺杂元素和非化学计量比控制，调节其载流子浓度以及晶粒尺寸大小，从而调控材料的热电传输性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种稀土元素双掺纳米晶In₂O₃基热电陶瓷材料的制备方法，其特征在于：该方法的步骤是：

(1)采用该方法制备的热电陶瓷材料包括的化学成分为铟、锌和镧系元素，铟、锌和镧系元素的摩尔比为：2-2X∶X∶X，X的取值范围为：0.0025≤X≤0.04；

(2)以In₂O₃、ZnO和镧系氧化物作为原料，按上述配比称取，混合后在400～600℃烧结2～6小时完成物相的成相阶段；