[发明专利]一种硫族铅化物热电材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种硫族铅化物热电材料及其制备方法，其化学式为Pb_1‑xSb_2x/3Se，0＜x≤0.09；该材料的制备是以高纯单质为原料，按上述化学式中的化学计量比配料，通过真空封装、高温熔融、退火热处理后，研磨成粉末，进行真空热压烧结、缓慢降温后得到片状块体材料即为目标组分的硒化铅材料。本发明通过设计引入Pb的阳离子空位结构诱导形成位错结构的可控制备方法，在材料中引入高密度的晶内位错结构，有效散射中频声子实现大幅度降低材料的晶格热导率(＜0.4W/m‑K)。本发明开发了一种具有高性能的Pb_1‑xSb_2x/3Se新型热电材料，其zT值在900K达到了1.6，为当前PbSe体系材料的最高值，是一种具有大规模应用潜力的新型热电材料。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，尤其是涉及一种硫族铅化物热电材料及其制备方法。

背景技术

由于环境污染和能源危机日益严重，世界范围内对清洁可再生能源的需求日益迫切，使得热电材料的研究已经引起了越来越多研究者的关注。基于塞贝克效应或帕尔帖效应，热电材料可以分别用作发电机或制冷器。热电材料利用的是材料固有的载流子作为工作介质，是一种无噪音、零排放、环境友好的热电能源转换材料。

热电材料的转换效率通常用无量纲热电优值zT来衡量，zT＝S²σT/κ，其中：T为绝对温度，S是塞贝克系数，σ是电导率，κ是热导率，由电子热导率κ_E和晶格热导率κ_L两部分组成。由于塞贝克系数S、电导率σ、电子热导率κ_E三个参数之间强烈的相互耦合作用，单一优化某一参数并不能提高整体的热电优值。当前可实现有效提升材料热电性能的方法有：能带调控提高材料的功率因子S²σ以及纳米化或合金化降低材料的独立参数晶格热导率κ_L。

降低晶格热导率的方法的本质是通过增强声子散射来实现。具体来说，纳米结构引入大量晶界可有效散射低频声子；合金化引入点缺陷可有效散射高频声子；晶格的非谐振动增强了材料固有的声子-声子散射可对全频率段声子进行散射。对于散射中频声子的研究非常少。从位错应力场以及位错核的声子散射的频率依赖关系中可以看出，位错可以有效地散射中频声子，从而显著地降低材料的晶格热导率。然而，由于半导体固有的脆性，使得当前成熟的位错形成方法如塑形变形等在传统的热电半导体中并不适用。

发明内容

本发明的目的是基于空位工程通过缺位结构诱导形成高密度晶内位错结构有效散射中频声子从而大幅度降低材料的晶格热导率，开发一种具有高密度位错结构和高热电性能的新型硫族铅化物热电材料。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种硫族铅化物热电材料，其化学式为Pb_1-xSb_2x/3Se，0＜x≤0.09，该硫族铅化物热电材料为热电半导体材料。

优选地，所述的x＝0～0.07，但不为0。

进一步优选地，所述的x＝0.04～0.05，位错浓度相对较优。

再进一步优选，所述的x＝0.05时，位错浓度达到优化的同时，能够获得较高的功率因子，即该硫族铅化物热电材料无量纲热电优值最高

一种硫族铅化物热电材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)真空封装：以纯度大于99.99％的单质元素Pb、Sb、Se按化学式Pb_1-xSb_2x/3Se，0＜x≤0.09中的化学计量比进行配料，并真空封装在石英管中；

(2)熔融淬火：将装有原料的石英管放入井式炉中缓慢加热，使原料在熔融状态下进行充分反应，随后淬火，得到铸锭；