[发明专利]一类中温热电晶体材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及热电材料技术领域，具体而言，涉及一类中温热电材料及其制备方法和用途。

背景技术

热电材料是指一类特殊的半导体材料，可以通过内部载流子(电子或空穴)运动实现热能与电能之间的相互转换，这一独特的物理性能使它们在军事和航天领域具有非常重要的应用。近年来随着全球环境污染和能源危机日趋严重，绿色环保型的热电材料的研究获得了广泛的关注与重视。利用热电材料将废热转化为可利用的电能，能够大幅度的提升能源使用效率，同时在节能减排方面也可以发挥关键性作用。

热电材料的热电转换效率主要是由热电材料的性能所决定的，可用热电优值ZT来表征，其计算公式为ZT＝(S²σ)T/κ，ZT越大，热电材料的性能越好。式中S是材料的塞贝克系数，σ是电导率，T是绝对温度，κ是总的热导率。S²σ又被称为功率因子(简写为PF)，用于表征热电材料的电学性能。

目前，热电材料根据其运作温度主要分为三类：在低温区(300–500K)以碲化铋及其合金的热电性能最好，在中温区(500–800K)以碲化铅及其合金性能最好，在高温区(800–1200K)以硅锗合金性能最好。但是这些体系未掺杂的材料的热电优值(ZT)并不高，比如，PbTe未掺杂优化最大值为0.50，SiGe未掺杂优化最大值为0.50，而方钴矿未掺杂优化最大值仅为0.04；通过掺杂优化后形成的重掺杂材料在热电优值上一般有很大程度的提高。但是，近半个世纪的研究结果表明，通过掺杂等手段对材料的转换效率进行提升的幅度有限；而通过纳米化等手段得到性能提升的复合材料，虽然转换效率提升较大，但热稳定性却因纳米颗粒的高温聚合熟化作用而大大降低。因此，探索发现新颖高效热电化合物是获得高稳定性，高转换效率热电材料的有效途径之一。

发明内容

本发明的目的旨在提供一类中温热电晶体材料、其制备方法和应用。

本发明的又一目的是提供一类含有晶体材料的热电材料及其制备方法。本发明的热电材料性能优异，其热电优化值ZT(750K)可达0.87，并且具有较高的稳定性。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种晶体材料，其中，所述晶体材料的分子式为RECuTe₂，其中RE为Ho或Er。该晶体属于三方晶系，空间群为

根据本发明，所述晶体材料的结构主要是由Cu与Te形成二维层状结构，RE填充于二维层状中。

优选地，RECuTe₂晶体的晶胞参数可以为α＝β＝90，γ＝120°。进一步优选地，晶胞参数例如可以为α＝β＝90，γ＝120°或为α＝β＝90，γ＝120°。

本发明还提供了上述任一类晶体材料的制备方法，包括：将含有稀土元素RE(RE为Ho或Er)、铜元素和碲元素的原料，置于真空条件下，通过高温固相法制备得到所述晶体材料。

优选地，所述原料中稀土元素、铜元素和碲元素的摩尔比为RE:Cu:Te＝1:1:2混合后置于真空条件下加热并恒温。

根据本发明，将含有稀土元素、铜元素和碲元素的原料混合后置于镀碳膜的石英坩埚中，然后将镀碳膜的石英坩埚置于石英反应管中，真空抽至10^-2Pa并用氢氧火焰烧熔密封石英反应管，将石英反应管放入带有温控仪的管式炉中加热反应。

上述制备方法中采用的原料可以是化合物，但并不局限于此，只要含有稀土元素、铜元素和碲元素即可。优选稀土元素来自稀土单质，铜元素来自铜单质，碲元素来自碲单质。

根据本发明，高温固相法是在高温下反应一定时间。优选将原料混合物置于真空条件下加热至800～1300℃。进一步优选可以加热至900～1100℃，更优选950～1050℃。所述反应时间大于等于50小时，优选大于等于70小时。例如优选为100～150小时。

在本发明的一个实施方案中，所述高温固相法的反应条件为：900～1100℃下反应不少于100小时。

在本发明的又一个实施方案中，所述高温固相法的条件为：950～1050℃下反应100小时。

根据本发明，在上述制备方法中，在高温制备后，将所述高温产物降温到室温。优选以不超过10℃/小时的速率，例如以8℃/小时的速率降至300℃，之后自然冷却至室温。

本发明还提供了上述晶体材料的用途，其可用作热电材料。

本发明还提供了一类热电材料，其含有上面所述的晶体材料。

优选地，所述热电材料由上面所述的晶体材料组成。