[发明专利]一种低导热硫银锗矿热电材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种低导热硫银锗矿热电材料及其制备方法，热电材料的化学式为Ag₉Ga_1‑xM_x(Se_1‑yS_y)₆，其中，M选自Cr、Cd、Zn或Ge中的一种，0≤x≤0.06，0≤y≤0.10；制备时，以纯度大于99.99％的单质为原料，按照化学计量比进行称重配料，置于密封石英管中进行真空封装；使用马弗炉加热，使高纯原料在高温下熔融反应后，急速淬火冷却，得到第一铸锭；将第一铸锭真空封装在石英管中，进行高温退火处理后，急速淬火冷却，得到第二铸锭；将第二铸锭研磨成粉末，置于石墨模具中，在真空气氛下通过感应加热升温进行热压烧结，随后缓慢降温，即可。与现有技术相比，本发明热电材料机械性能稳定，晶格热导率极低(0.2W/m·K)，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，涉及一种低导热硫银锗矿热电材料及其制备方法。

背景技术

地球上不可再生能源逐渐枯竭，随之带来的环境污染的形势也日益严峻，开发利用可再生清洁能源是未来的趋势所向。在实际生产和生活中，大量的能源以废热的形式消耗，比如工厂的废热、汽车的尾气排放等。热电能源转换技术可以直接实现热能和电能之间的直接转换，是实现清洁能源的典型技术。热电能源转换主要依靠内部载流子实现电能和热能的输运，在使用过程中具有无传动部件、无噪音、无污染的特性，将在环境友好型的建设产生巨大的促进作用。

研究表明，高的热电转换效率需要高的无量纲热电优质zT，表达式为zT＝S²σT/(κ_E+κ_L)其中：S是塞贝克系数；σ是电导率；T为绝对温度，κ_E是电子热导率，κ_L是晶格热导率。热电优质zT提升的困难主要来源于塞贝克系数S、电导率σ、电子热导率κ_E之间的强烈耦合，单一的提升一个参量的性能的往往会使另一个参量性能降低，此消彼长。其中，晶格热导率作为唯一的独立参量，可以通过形成一维点缺陷、二维位错缺陷和三维面缺陷散射声学声子，从而降低晶格热导率提升热电性能。因此，探索和开发具有低晶格热导的新材料也逐渐成为热电材料研究的主流方向之一，低晶格热导率一般出现在晶体结构复杂、摩尔质量较大和晶格畸变的材料。

硫银锗矿是一类分布于地球岩层内的天然矿物，其中的典型代表为Ag₈SiTe₆、Ag₈GeTe₆、Ag₈SnSe₆。硫银锗矿化合物晶体结构复杂，晶格热导率往往极低，符合热电材料需要的基本条件。但是，该类材料机械强度低、样品在制备过程非常容易碎裂，制备条件十分重要。其次，低晶格热导率的本质原因还没有完全阐述明白，其物理机制值得深究。

申请号为201610578274.8的中国发明专利公开了一种硫银锗矿热电材料，其化学式为Ag₈Sn_1-xNb_xSe₆，x＝0～0.05；该热电材料的制备方法以单质为原料，按所述的化学式的化学计量比进行配料，通过真空封装、熔融反应淬火及热处理淬火后，研磨成粉末，进行真空高温热压烧结，缓慢冷却后得到的块体材料即为硫银锗矿热电材料。不同于上述对比专利，本发明技术的特点在于具有Ag₉GaSe₆材料的低声学支截止频率和弱键强的特性决定了该材料极低的晶格热导率；而Ag₈Sn_1-xNb_xSe₆的低晶格热导率主要来源于材料的低声速。本发明Ag₉GaSe₆材料制备合成及分析为热学材料量化标准提供了坚实的实验基础。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高机械强度、低热导率、高热电性能的低导热硫银锗矿热电材料。