[发明专利]一种具有本征空位缺陷的NbCoSb基热电材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有本征空位缺陷的NbCoSb基热电材料及其制备方法，所述热电材料由非化学计量比的Nb、Co、Sb元素组成，晶体结构中具有本征空位缺陷，是一种生产成本低、Seebeck系数高、功率因子高、热电性能优异的N型Half‑Heusler型材料。

发明领域

本发明涉及热电材料领域，具体涉及一种N型Half-Heusler型热电材料及其制备方法。

背景技术

近年来，能源和环境问题逐渐凸显，能源和环境危机日益引发关注。目前，全球每年消耗的能源中约有70％以废热的形式被浪费掉，如何将这些废热有效的回收并利用将极大的缓解能源短缺问题。

热电材料是一种能够实现电能与热能之间直接相互转换的功能材料，通过1823年发现的Seebeck效应和1834年发现的Petier效应，使其作为热电能量转换器和热电制冷器的研究和应用得到了快速发展。由热电材料制作的温差发电或制冷器件具有无污染、无噪声、无机械运动部件、体积小、可移动、安全可靠等突出优点，在工业余热发电、汽车废热发电、航天航空探测、野外作业及制冷等领域具有广泛的应用前景。此外，利用热电材料制备的微型元件可用于制备微型电源、微区冷却、光通信激光二极管和红外线传感器的调温系统等，大大拓展了热电材料的应用领域。

根据热电材料的工作温度区间，其通常可分为低温区、中温区、高温区热电材料。而我们日常生活中所产生的废热，如工业废热、汽车排热等通常集中于中、高温区，因此中、高温区热电材料显然具有更大的应用前景和优势。

常见的中、高温区热电材料包括PbTe基合金、Skutterudite材料和Half-Heusler(HH)化合物，其中PbTe中含有Pb毒性强，对环境污染严重，且材料的机械性能极差；Skutterudite材料的热稳定性差，所用稀土金属匮乏且昂贵，这些都限制了它们的大规模生产及应用。而Half-Heusler化合物作为一种高性能的中高温热电材料，具有机械性能强、热稳定性高、储量丰富、环境友好等优势，是一种更优的选择。

Half-Heusler化合物通常由ABX来表示，具有立方MgAgAs型结构，形成3个相互贯穿的面心立方亚晶格和1个空位晶格，若空位被中心原子填充，则为Full-Heusler化合物。Half-Heusler化合物根据其价电子数的不同可在金属、半金属、半导体间转换，如价电子数为8或18时，其表现为半导体。

在实际应用时，高性能热电器件通常需要N型和P型材料相配合形成能量转换体系，因此高热电转换能力的N型及P型Half-Heusler化合物急需得到开发。

现有技术中为得到N型Half-Heusler化合物，通常采用掺杂的方式进行，如在常见的MNiSn化合物(其中M为Ti、Zr和/或Hf原子)中掺杂Sb原子。其缺陷在于，其基本组成中的Hf等材料单价极其高昂，不利于大规模生产应用，而Sb等原子掺杂后会在晶体结构中形成杂相，影响Half-Heusler化合物本身的性能表达。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与掺杂手段不同的，通过本征空位缺陷进行调控的N型Half-Heusler热电材料。

本发明的目的还在于提供一种晶体结构中无其它杂相的N型Half-Heusler热电材料。

本发明的目的还在于提供一种仅由Nb、Co、Sb原子组成的NbCoSb基N型Half-Heusler热电材料。

本发明的目的还在于提供一种通过本征空位缺陷进行调控的、晶体结构中无其它杂相的、仅由Nb、Co、Sb原子组成的NbCoSb基N型Half-Heusler热电材料。

本发明的目的还在于提供一种单胞内具有19价电子的NbCoSb基N型Half-Heusler热电材料。