[发明专利]一种单晶Bi2Te3热电材料的制备方法

说明书

一种单晶Bi₂Te₃热电材料的制备方法，属于能源材料技术领域。本发明以机械合金化法预合成的Bi₂Te₃粉体作为原料分批在2MPa下保压0.5～1.5min压制成片并放入尖底石英管中真空封管，再将石英管尖底朝下放入竖炉中，以5～30℃/h的速率升温至600～750℃，并保温10～30h，然后以1～3℃/h的速率缓慢降温至380～550℃，再以10～50℃/h的速率降温至30℃得到单晶Bi₂Te₃块体。本发明制备的单晶Bi₂Te₃块体热电材料面内功率因子为2～5mWm^‑1K^‑2，面间功率因子为0.6～2mWm^‑1K^‑2。利用机械合金化法结合温度梯度固化法制备单晶Bi₂Te₃块体热电材料具有过程简便易操作，对设备和制备环境要求低，烧结温度低等特点并进一步提升了Bi₂Te₃块体的热电性能。制备的单晶Bi₂Te₃热电材料有可能在温差发电和热电制冷等领域得到广泛的应用。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，具体涉及一种单晶Bi₂Te₃热电材料的制备方法。

背景技术

热电材料能通过塞贝克效应和帕尔贴效应来实现热能和电能的相互转换，实现热电发电和热电制冷。以N型和P型热电材料组成的热电器件具有体积小、无噪声、无运动部件、无污染、可靠性高和寿命长等优点，在工业废热利用、无氟制冷、航空航天、高性能接收器及传感器等领域具有广阔的应用前景。材料的热电性能可用无量纲热电优值ZT来衡量ZT＝α²σT/κ，其中α为Seebeck系数，σ为电导率，T为绝对温度，κ为热导率，α²σ被定义为材料的功率因子，高性能热电材料需要高的α、σ和低的κ。

Bi₂Te₃是研究较早较深入、室温附近(300～500K)性能较好、商业化程度较高的热电材料，已经应用于空调座椅、可穿戴设备和便捷式小冰箱等领域，具有一定的器件研究和商业生产基础，有可能率先投入工业化大规模生产和应用。多晶Bi₂Te₃块体材料的制备主要通过水热、球磨、熔融及自蔓延燃烧等技术获得粉体，结合放电等离子烧结、热压烧结等技术进行成型处理，而现有研究表明具有一定取向甚至接近单晶的块体比多晶具有更好的热电性能。制备单晶通常采用布里奇曼法、区熔法和直拉法，但是制备过程中需要旋转移动样品并对晶体生长装置进行抽气或通入惰性气体来防止氧化。由于这些方法对晶体生长装置和生长环境要求很高，在一定程度上限制了单晶Bi₂Te₃块体的制备及热电性能研究。有研究者在传统晶体生长方法基础上直接用Bi粉、Te粉和Cu粉为原料装入石英管中，进行真空处理，在800℃下保温96h再利用温度梯度固化法以1℃/h的速率缓慢降温至600℃制备了Cu掺杂的单晶 Bi₂Te₃，室温下其功率因子为2.5mWm^-1K^-2。但是由于Bi(104.80kJ/mol)、Te(52.55kJ/mol) 原始粉末蒸发能较低，高温下极易挥发，温度工艺及样品含量控制不当易引起石英管破裂，还可能会造成晶体成分不均一的现象。本发明先利用机械合金化法在很短时间内合成稳定的多晶Bi₂Te₃粉体后导入温度梯度固化过程制备单晶，这种工艺不仅烧结温度降低到 600～750℃，保温时间大幅度缩短至10～30h，大幅度降低能源消耗，节能环保，而且能降低成分偏析，使单晶的成分更均匀，从而热电性能得到了提升。