[发明专利]一种Ga-Ti掺杂ZnO块体热电材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种Ga‑Ti掺杂ZnO块体热电材料的制备方法，具体步骤如下：首先按配比称量ZnO、Ga₂O₃、TiO₂粉末，并进行球磨，得到混合粉末；混合粉末过筛后，将所得粉末等静压成型；最后将成型的坯体进行固相烧结，烧结后随炉冷却得到Ga‑Ti掺杂ZnO块体热电材料。本发明工艺易于操作，制备的热电材料致密度高，并满足器件应用中对材料功率因子的要求，为掺杂ZnO热电材料的制备提供了一种简便高效的方法。

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，具体涉及一种制备Ga-Ti掺杂ZnO块体热电材料的方法。

背景技术

随着工业化的高速发展，能源与环境问题已经成为人类社会的重要问题之一。热电材料是一种能直接实现热能和电能相互转化的功能材料，在国防、航空航天、微电子等领域，特别是在温差发电和热电致冷等方面具有广泛的应用前景。

ZnO热电材料是一类高温热电材料，与传统高性能热电材料碲化铋、碲化铅相比，具有原料廉价易得、低毒、高温稳定性好等优点，但因其晶体结构简单，导致其电导率较低，无法获得较优异的热电性能。与纯ZnO相比，掺杂后的ZnO具有更低的电阻率和更好的稳定性。目前常用来掺杂的元素有Al、Ga、In、Sb、Si，其中Al掺杂性能最优，但是根据已报道的ZnO-Al₂O₃体系相图，Al₂O₃在ZnO中固溶度非常低，严重限制了Al掺杂对ZnO热电性能的提升。

Ga作为第三主族与Al性质相近的金属元素，被认为是一种有效的n型掺杂剂。Ga³⁺的半径比Al³⁺更接近Zn²⁺，同时Ga-O的键长比Al-O更接近Zn-O，所以在Zn位点上掺杂Ga会引入较小的晶体结构畸变。Ti是一种高价态金属，主要以Ti⁴⁺形式存在，与Al³⁺，Ga³⁺相比，可以多提供一个自由电子，从而提高材料的导电性能。因此Ga、Ti元素被认为是最有前景的掺杂元素。

除单一掺杂外，为了进一步提高材料的热电性能，往往对ZnO进行不同元素的共掺杂。目前已有通过热压烧结法、放电等离子烧结法、磁控溅射法等制备了掺杂ZnO热电材料，然而上述方法往往操作困难、设备价格昂贵、制备周期长，难以实现产业化生产。本发明提供了一种低成本、简单制备Ga-Ti掺杂ZnO块体热电材料的方法，制备的材料满足器件应用中对功率因子的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备Ga-Ti掺杂ZnO块体热电材料的方法，解决了现有的材料无法满足器件应用中对功率因子的数量级要求的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种制备Ga-Ti掺杂ZnO块体热电材料的方法，具体步骤如下：

步骤1，按配比称量ZnO、Ga₂O₃、TiO₂粉末，并进行球磨，得到混合粉末；

步骤2，将步骤1所得混合粉末过筛；

步骤3，将步骤2所得粉末等静压成型；

步骤4，将步骤3成型的坯体进行固相烧结，烧结后随炉冷却得到Ga-Ti掺杂ZnO块体热电材料。

本发明的特征还在于，

步骤1中按照分子式Zn_0.998-x-yGa_xTi_yO，其中0≤x≤0.01，0≤y≤0.01，称量ZnO、Ga₂O₃、TiO₂粉末。

步骤2中先将混合粉末置于100目筛过筛，再经过200目筛过筛，取100-200目之间粉末晾干备用