[发明专利]用于热电应用的纳米颗粒压实体材料

说明书

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明根据美国军方合同W911NF-08-C-0058，在政府支持下完成。美国政府具有本发明中的某些权利。

发明背景

本申请根据35U.S.C.119(e)要求提交于2011年11月21日的美国系列号61/562,229的优先权，通过引用将其全部内容并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于生产由半导体化合物形成的微米尺寸和纳米尺寸颗粒的方法和系统，由该颗粒形成的热电组合物，及用于它们的合成的方法。

背景技术

由于在热电应用，例如发电和制冷中的用途，IV-VI族二元半导体材料最近引起了人们的兴趣。例如，可在固态热电(TE)制冷和发电装置中使用Bi2Te3基化合物或PbTe基化合物。热电装置的一种频繁利用的热电品质因数定义为如下：

Z=S2σk]]>

其中S为塞贝克系数，σ为电导率，且k为热导率。在某些情况下，采用了无量纲的品质因数(ZT)，其中T可为装置的热侧和冷侧的平均温度。已经建议，纳米组织材料可提供纳入这些材料的组合物的热电品质因数的改善。

发明内容

在本发明的一个实施方案中，提供了包括半导体材料的热电复合物，该半导体材料由用于产生半导体材料的纳米颗粒的半导体材料的单质成分的机械合金化粉末形成，且将其压实以具有至少一种分歧的晶粒组织。该分歧的晶粒组织具有至少两种不同的晶粒尺寸，包括2～200nm的小尺寸晶粒和0.5～5微米的大尺寸晶粒。

在本发明的一个实施方案中，提供了热电装置，其具有n型压实热电元件、p型压实热电元件和连接n型压实热电元件和p型压实热电元件的桥接板和分别连接n型复合热电元件和p型复合热电元件的末端的基板，该n型压实热电元件具有至少一种分歧的晶粒组织，该晶粒组织具有至少两种不同的晶粒尺寸，包括2～200nm的小尺寸晶粒和0.5～5微米的大尺寸晶粒；该p型压实热电元件具有至少一种分歧的晶粒组织，该晶粒组织具有至少两种不同的晶粒尺寸，包括2～200nm的小尺寸晶粒和0.5～5微米的大尺寸晶粒。

在本发明的一个实施方案中，提供了用于制成热电复合物的方法。该方法提供了半导体材料的单质成分的粉末。在第一基本上无氧气氛下，该方法将单质成分的粉末机械合金化为纳米尺寸粉末。在第二基本上无氧气氛下，该方法压实纳米尺寸粉末以产生具有至少一种分歧的晶粒组织的半导体材料的压实体(compact)，该晶粒组织具有至少两种不同的晶粒尺寸，包括2～200nm的小尺寸晶粒和0.5～5微米的大尺寸晶粒。该压实产生了具有品质因数ZT的热电复合物，ZT被定义为塞贝克系数的平方S²和电导率σ的积除以热导率k的比，其在300-500K下大于1.0。

在本发明的一个实施方案中，提供了热电装置，其具有n型压实热电元件、p型压实热电元件、连接n型压实热电元件和p型压实热电元件的桥接板、和分别连接n型压实热电元件和p型压实热电元件的末端的基板，该n型压实热电元件具有至少一种分歧的晶粒组织，该晶粒组织具有至少两种不同的晶粒尺寸，包括2～200nm的小尺寸晶粒和0.5～5微米的大尺寸晶粒，该p型压实热电元件具有至少一种分歧的晶粒组织，该晶粒组织具有至少两种不同的晶粒尺寸，包括2～200nm的小尺寸晶粒和0.5～5微米的大尺寸晶粒。

要理解，本发明的上述大体的描述和以下详细的描述均为示例性的，而不限制本发明。

附图简介

将容易地获得本发明及其许多伴随的优点的更充分的理解，因为当联系附图进行考虑时，通过参考以下详细的描述，本发明可被更好地理解，其中：

图1A为用来压实根据本发明的教导产生的IV-VI纳米组织的压实设备的示意图；

图1B为说明用于制成本发明的热电压实体的过程步骤的流程图；

图2A-2F为在不同的放大水平下本发明的p型和n型块体固结样品的明场TEM显微照片的说明；

图3A-3D为n型和p型研磨状态的粉末的XRD图谱(图3A和图3C)和透射电子显微图片(TEM)(图3B和图3D)的说明；