[发明专利]具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基化合物热电材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基热电材料及其制备方法，该热电材料的表达式用GeTe‑xCu₂Te‑yBiTe‑zPbTe合金表示(0＜x≤0.02，0＜y≤0.045，0＜z≤0.1)；制备方法是以金属单质为原料，按比例进行配料，通过真空封装、高温熔融、退火热处理后，研磨成粉末，进行真空热压烧结、缓慢降温后得到片状材料即为目标组分的新型碲化锗基热电材料。通过固溶少量碲化亚铜，在晶体结构和价带结构影响可忽略的情况下有效地降低了载流子浓度，揭示了菱形碲化锗是一种具有高迁移率高热电性能的材料(其热电优值zT在650K达到2.4，在300‑650K的平均zT达到1.2)，而且揭示了菱形碲化锗的轴间角可作为推进碲化锗热电工程的核心指导参数，为进一步研究发展低对称热电材料提供了一种新的方法。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，尤其是涉及一种具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基化合物热电材料及其制备方法。

背景技术

热电半导体材料，作为一种零排放、无转动部件的新型能源材料，基于塞贝克效应，能够直接将废热转化为电能，被认为是一种生态友好、可持续的能源危机有效解决方案。而限制热电半导体材料大规模应用的瓶颈是其相对较低的转换效率，通常可以用无量纲热电优值zT来衡量，zT＝S²T/ρκ，其中：T为绝对温度，S是塞贝克系数，ρ是电阻率，κ是热导率，由电子热导率κ_E和晶格热导率κ_L两部分组成。增加zT一直是大型热电技术应用的挑战。

由于塞贝克系数S、电阻率ρ、电子热导率κ_E之间通过载流子浓度表现出强烈的耦合关系，想要实现热电优值最大化，就需要优化载流子浓度，使得三种参数之间达到最优化。这使得优化载流子浓度成为了提升热电性能最常用也是最有效的一种方法。电性能最优时所需要的载流子浓度具有温度和能带结构依赖性，常用的调控载流子浓度的方法是通过异价元素替换进行掺杂。然而由于热力学稳定性，本征碲化锗中由于Ge析出使其与生俱来存在大量阳离子空位，导致空穴载流子浓度很高，因此通过化学掺杂使载流子浓度实现大范围的跨越从而确定碲化锗材料的优化载流子浓度区间相对困难。而对促进GeTe中Ge析出相的再溶解为调控载流子浓度提供了新的可能。

现有研究中，为调节碲化锗的载流子浓度，一般情况下都会引入大量杂质(如图4b所示)，高的杂质浓度对碲化锗的晶体结构，散射机制以及价带结构都产生很大的影响，无法有效地展现本征碲化锗的迁移率，热电性能等。

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具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基化合物热电材料及其制备方法。

本发明通过固溶少量的Cu₂Te促使GeTe中的Ge析出再溶解，有效地降低了GeTe中的Ge空位，使载流子浓度大幅度的降低。如此低的杂质浓度对晶体结构和价带结构的影响可以忽略，从而能够揭示接近最佳载流子浓度范围下本征碲化锗高迁移率的性能。进一步固溶BiTe、PbTe能够继续降低载流子浓度和晶格热导，得到具有高迁移率高性能的热电材料。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的目的之一在于提供一种具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基化合物热电材料，其组成表示为GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe，其中，0<x≤0.02，0<y≤0.045，0<z≤0.1。

进一步的，x＝0.015～0.02，x在这个范围材料具有较优的电性能；

y＝0.015～0.025，y在这个范围材料具有更加优化的电性能；

z＝0.06～0.08，z在这个范围材料具有较优的晶格热导。