[发明专利]一种立方相Ca2Ge合金材料及其微波固相制备方法

说明书

本发明公开了一种立方相Ca₂Ge合金材料及其微波固相制备方法，包括以下步骤：（1）将Ca粉和Ge粉按（2.0~2.8）：1的摩尔比进行称量，置于有机溶剂中进行超声波振荡混合；（2）待有机溶剂完全挥发后，干法成形使其压制成块体；（3）将试样置于氧化铝坩埚内并用Ca粉封填，然后放置真空微波工业加热炉内，通入高纯氩气，将样品升温至400~700℃；（4）温度达到指定温度后保温0.5~6 h，然后随炉冷却至室温，得到立方相Ca₂Ge。本发明是通过微波加热，属于内加热，具有加热速度快、加热均匀、时间短。从而避免了传统烧结过程中晶粒异常长大现象，最终可获得具有超细晶粒结构材料、可以降低材料的合成温度。

技术领域

本发明属于Ca-Ge合金材料体系领域，尤其涉及一种立方相Ca₂Ge合金材料及其微波固相制备方法。

背景技术

目前，由于Ga、As、In、Se等资源缺乏，某些有毒元素被大量用来制造半导体器件，因此在促进信息产业飞速发展的同时。我们也将面临资源短缺和使用上述半导体材料制备半导体器件带来的环境问题。半导体钙锗化合物Ca₂Ge，是由资源寿命极长的Ca、Ge元素组成，能循环利用，对地球无污染，是一种新型环境友好半导体材料；并且Ca₂Ge化合物半导体单晶属于直接能带隙半导体材料，是制备热电、光电等器具的理想材料。

Ca₂Ge具有正交相和立方相两种不同的晶体结构，他们的晶格参数分别为a=7.678Å、b=4.862Å、c=9.099Å和a=b=c=7.21Å。正交相Ca₂Ge与立方相Ca₂Ge都属于直接带隙半导体。

立方相Ca₂Ge的直接带隙为0.60eV，正交相Ca₂Ge的直接带隙为0.37eV，其立方相的应用可能更广。正交相Ca₂Ge与立方相Ca₂Ge的天然直接带隙预示着它在热电、光电领域的运用的潜在价值。目前，由于Ca的熔点和沸点较低，使得Ca和Ge的熔点相差很大，对反应状态和产物物相有很大的影响。传统制备方法没法得到纯度较高的Ca₂Ge，而且会同时生成CaGe、CaGe₂、Ca₅Ge₃、Ca₇Ge₆等钙锗化物，还会伴随着不同Ca₂Ge的相生成。通过查阅文献，不管是实验制备分析或是理论计算都表明Ca₂Ge的正交相属于稳定相，而立方相Ca₂Ge是不稳定的，这阻碍立方相Ca₂Ge的制备和应用。为了解决立方相Ca₂Ge制备过程中的问题，本文采用低温微波固相反应法，通过在真空环境下，调整加热功率、保温时间、Ca过量等工艺因素，合成单相立方相Ca₂Ge化合物粉体，成为期望的热电材料。目前，其他研究都是在正交相的Ca₂Ge上，对于立方相的Ca₂Ge研究非常少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以获得纯度高、组成定比的立方相Ca₂Ge合金材料及其微波固相制备方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种立方相Ca₂Ge合金材料及其微波固相制备方法，包括以下步骤：

（1）将Ca粉和Ge粉按（2.0~2.8）：1的摩尔比进行称量，置于有机溶剂中进行超声波振荡20~60 min，使之充分混合；

（2）待步骤（1）中有机溶剂完全挥发后，在一定的压力下干法成形使其压制成块体；