[发明专利]一种氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及热电材料领域，特别是涉及一种氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法。

背景技术

当今社会能源的50％以上都以废热的形式损失掉，而热电材料能实现热能和电能之间的相互转换，因此热电材料的发展将会有助于解决能源危机。评价热电材料性能好坏的参数是热电优值ZT，ZT＝S²σT/κ，其中S表示Seebeck系数，σ表示电导率，T表示绝对温度，κ表示热导，S²σ称为功率因子(Power Factor)。ZT值越高，热电能量转化效率越高。提高ZT值，需要提高Seebeck系数和电导，同时降低热导。目前，性能高的热电材料普遍含有有毒并且价格昂贵的金属，如Te、Pb等，阻碍了它们的大规模实际应用。因此，开发新型的无毒便宜的热电材料成为热电领域的研究热点。

二硫化钼是一种层状的二维半导体材料。目前二硫化钼作为热电材料的研究不是很多，而且主要集中在薄膜的研究，如2013年Michele Buscema等人通过外加电场可以将单层二硫化钼的Seebeck系数调节到-4×10²到-1×10⁵μV K^-1之间；2014年Wu Jing等人通过外加栅极电压调节CVD生长的单层二硫化钼的载流子浓度，使其Seebeck值可达到～30mV K^-1。尽管如此，他们在文章中也都指出了虽然单层二硫化钼的Seebeck系数很大，但是作为热电材料仍存在一个很大的挑战就是电阻太大。2015年Shi Li和Zhang Xiang两个组分别研究了少层二硫化钼的热电性能，在面内方向上都得到了很高的功率因子(>5mW m^-1K^-2)，但是因为此方向的热导比较高(30-50W m^-1K^-1)，ZT值也仅仅只有0.05。

发明内容

本发明要解决的问题是：克服现有技术的不足，提供一种氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法，在不降低二硫化钼Seebeck系数的情况下，提高二硫化钼的电导，同时能够有效降低热导，最终使得材料的热电性能得到大幅度的提高。

本发明提供了一种氧掺杂二硫化钼热电材料的制备方法，其特征在于所述制备方法包括以下步骤：

(1)称取一定质量的二硫化钼粉末，放到容器中；

(2)将步骤(1)中的容器放到石英管中；

(3)步骤(2)中的石英管放到水平管式炉中，氩气气氛下升温至合适的温度，再更换为空气，恒温一定的时间，然后更换为氩气自然降温，得到氧掺杂的二硫化钼粉末样品；

(4)将步骤(3)得到的氧掺杂二硫化钼粉末样品进行放电等离子体烧结，首先将氧掺杂的二硫化钼粉末装入石墨模具中，放入放电等离子体烧结炉中，加压，抽真空，当真空度小于5Pa时，开始升温烧结，升到最高温度时保温一段时间，然后直接卸压，自然降温，得到致密的氧掺杂二硫化钼热电材料。

所述步骤(1)中的一定质量的二硫化钼粉末为2-6g；二硫化钼粉末的粒径小于6um。此粒径的MoS₂在本发明所述的氧掺杂方法中氧掺杂效果比较好，而且SPS烧结后择优取向也比较明显。容器选用的是刚玉舟，因刚玉舟在本发明所述的实验温度(200-500℃)下与MoS₂不发生反应。

所述步骤(2)中的石英管直径为40-60mm，长为0.8-1.5m，最优直径为50mm，长为1m。

所述步骤(3)中的温度为200-500℃；恒温时间为4min-10h；升温和降温过程中通的都是氩气，氩气流速为70-80sccm(最优为76sccm)；恒温过程中通的是空气，空气流速为100sccm。空气流速的大小决定了氧化反应时氧气的含量，是决定MoS₂氧化程度即氧掺杂程度的重要条件之一，本发明中空气流速为100sccm时，氧含量最合适，在此流速条件下再去调节氧化的温度和时间，得到的热电性能的数据能很好地说明热电性能随氧掺杂程度的变化趋势。

所述步骤(4)中烧结过程所用石墨模具直径为12.7-20mm，高度为30-35mm。所加的压力为40-60MPa，烧结温度为1100-1400℃，升温速率为50-100℃/min，保温时间为10-180min。在这一烧结条件下，材料的密度能达到体相材料密度的95％以上，并且当需要烧结得到一个比较高(12mm左右)的材料时，用此烧结条件材料不会断裂。