[发明专利]一种无类施主效应的细晶粒强取向的n型Bi2

说明书

本发明公开了一种无类施主效应的细晶粒强取向的n型Bi₂Te₃基热电材料的制备方法，采用n型碲化铋基单晶材料为原料，通过烧结制备碲化铋基热电材料块体，将所得碲化铋基热电材料块体置于热挤压模具中进行热挤压过程，从而得到无类施主效应的细晶粒强取向的n型Bi₂Te₃基热电材料。本发明能够有效整合单晶碲化铋基热电材料高的织构和优异的热电性能优势和多晶碲化铋基热电材中优异力学性能的优点，并快速获得无类施主效应产生的高织构、细晶粒且在室温附近具有优异热电性能的Bi₂Te₃基材料，制备方法简单高效，有利于多晶碲化铋基热电材料的工业化生产。

技术领域

本发明属于无机功能材料技术领域，具体涉及一种无类施主效应的细晶粒强取向的n型Bi₂Te₃基热电材料的制备方法。

背景技术

单晶Bi₂Te₃基材料一般沿层片方向具有更优的热电性能。目前大规模商业化应用的Bi₂Te₃基材料主要是采用区熔技术生产的具有近似单晶取向的多晶材料。然而，由于区熔材料的高度取向性，其机械性能和机械可加工性较差，在加工和服役过程中非常容易沿着层片方向解理，产品的成品率不高。因此，亟待开发出热电性能和力学性能兼优的Bi₂Te₃基热电材料。

大量研究表明，通过粉末冶金工艺细化材料的晶粒，可以显著提高材料的机械性能和可加工性；另外，细化晶粒可以大幅度降低材料的热导率，然而，晶粒细化之后导致晶界散射的增强和材料中随机取向的晶粒导致材料取向性的减弱，致使通过粉末冶金工艺制备样品的电性能较区熔样品有所降低。

为了提高材料的电性能，研究者们采用提高烧结压力和多次热锻工艺来增强材料的织构和取向性，尽管采用上述方法可以增强材料的织构，改善载流子的迁移率，但是材料的取向性与区熔材料相比还是较弱，晶粒尺寸的不均匀分布导致载流子在晶界上的散射显著增强。同时锭体破碎过程中产生的类施主效应使得基体的载流子浓度不可控、不可逆的剧烈增加，偏离其最佳载流子浓度区间，性能恶化，尤其是室温附近的热电性能，往往由于大幅度降低的Seebeck系数和功率因子，以及由电导率的急剧上升导致的电子热导率和总热导率大幅度升高而显著劣化。进一步说，类施主效应带来的负面影响难以通过后续的热处理工艺消除从而在根源上抑制了n型Bi₂Te₃基化合物室温附近热电性能的提升。

因此，发展一种能够获得无类施主效应产生的高织构、细晶粒Bi₂Te₃基材料的制备技术，对于高性能Bi₂Te₃基热电材料的规模化应用至关重要，将为Bi₂Te₃基热电器件尤其是在微型热电器件的应用奠定重要基础。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有单晶碲化铋基热电材料中出现的机械性能较低和多晶碲化铋基热电材料中出现的织构不强、取向较低和室温附近热电性能较低的问题，提出一种Bi₂Te₃基热电材料的制备方法，能够有效整合单晶碲化铋基热电材料高的织构和优异的热电性能优势以及多晶碲化铋基热电材中优异力学性能的优点，并快速获得无类施主效应产生的高织构、细晶粒的、在室温附近具有优异热电性能的Bi₂Te₃基材料，制备方法简单高效，有利于多晶碲化铋基热电材料的工业化生产。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：