[发明专利]基于Ga元素掺杂有效提高PbTe热电性能的方法

说明书

本发明属于材料领域，涉及基于Ga元素掺杂有效提高PbTe热电性能的方法，按1:x:1‑x的元素比例分别称取Pb粉、Te粉和Ga块，其中x的值分别取0.01～0.05，研磨混合压制成片后放入石英管内抽真空封管，依次烧结、放电等离子体烧结，得到Ga掺杂的PbTe化合物热电材料。本发明提供的Ga元素掺杂提高PbTe热电优值的方法，可用于PbTe掺杂样品的制备以及性能的提高，工艺操作简单，可重复性高。该方法通过调节升降温速率、成相温度、保温时间等工艺参数控制PbTe化合物的成相度、致密度、微结构，可控性强；所制得的PbTe掺Ga化合物结晶度高、杂质少、致密度高、热导率低以及热电性能高等特性。

技术领域

本发明属于热电材料领域，涉及一种基于Ga元素掺杂有效提高PbTe热电性能的方法。

背景技术

石油危机以来，能源短缺不断引发的各类社会、经济问题，人们逐渐认识到单纯依靠化石燃料、石油资源不足以支撑人类社会的发展。此外，近年来持续爆发的生态危机，更加剧了世界人民对于传统燃料的担忧，迫使各国不断投入大量的资本用以开放绿色的、可持续发展的、环境友好型能源。

热电材料，利用温差可直接实现热能与电能的相互转化，其性能可靠、使用寿命长、环境友好等特点，吸引了无数研究人员的目光，得到了欧美等发达国家的高度关注。1947年，泰克斯(Telkes)研制出一台温差发电器，效率可达5％。70年代末，日本开发出温差电家用冰箱样机，制冷效率约为20％。此外，随着空间探索的兴起，利用放射性同位素作为热源的温差发电器已经成功应用于太空探测器。

评价热电材料性能优劣主要取决于无量纲热电优值(ZT值)，即ZT＝TS²σ/κ，其中S、σ、κ分别表示Seebeck系数、电导率和热导率。1995年，Glem Slack提出一种新的概念材料称为“声子玻璃电子晶体”，也就是一种导电如晶体导热如玻璃的材料。由此可知，高ZT值的材料往往意味着低热导率与高电输运性质。

在众多热电材料中，PbTe一直是研究的重点，并成功应用于空间探测、余热回收等领域。然而PbTe母体的热电性能较低，严重阻碍了其商业化应用，而目前国内对于此类化合物的相关报道还停留在基础研究阶段。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种直接用于热电转换和热电机理研究，制备工艺简单、热导率低、热电优值较高的PbTe化合物热电材料的制备方法。

具体的技术方案为：

基于Ga元素掺杂有效提高PbTe热电性能的方法，包括以下步骤：

(1)按1:x:1-x的元素比例分别称取Pb粉、Te粉和Ga块，其中x的值分别取0.01～0.05；然后在玛瑙研钵中将Pb粉与Te粉混合，研磨30min，使粉末混合均匀；

(2)将研磨好的粉末转入到Φ＝10mm的钢制模具内，用3～5MPa的压力持续5～10min；

(3)将压制好的片状样品与Ga块移入到洗净的Φ＝20mm石英管内；利用氢氧发生机进行封管；先用机械泵抽预真空，再用分子泵抽真空至1.5×10^-3Pa，封管；

(4)将装有样品的石英管置于箱式炉中进行烧结；

(5)第一次烧结：经过200～1200min从室温升至750℃，保温720min；再经过100～200min升温至1000℃，保温480min；经过100～200min降温到950℃，再经过200～1000min降温到850℃，于空气中自然冷却；

(6)取出烧制过的铸锭于高纯氩气手套箱中，在玛瑙研钵中研磨30min，再通过300目的晒网，使粉末粒径均匀；

(7)然后将通过晒网后粉末转入Φ＝10mm的石墨模具中，用1～3MPa的压力持续3～5min；