CN102403445A - 一种碲化铋基热电材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碲化铋基热电材料Bi38-x(InSb)xTe62及其制备方法，属于无机材料领域。本发明采用一步合成法进行合成。合成条件：在780℃反应2至3天，然后缓慢降温至530℃即获得。本发明中，化合物Bi38-x(InSb)xTe62的特征在于铋碲中碲的名义成分为62%，并在铋位掺杂了少量的In和Sb，其中0.6≤x≤0.8。本发明的优点是：制备方法简单——传统简单的固熔和掺杂方法，直接得到具有高致密度的块体材料，且本发明得到的热电材料Bi38- δ(InSb)δTe62的ZT值在323K时可达到1.108。

Description

一种碲化铋基热电材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种碲化铋基热电材料Bi38-x(InSb)xTe62及其制备方法，属于无机材料领域。
背景技术
Bi2Te3 基化合物是最早发现和研究的热电材料，也是目前应用最广的商业化中温热电材料。其热电性能的极限 ZT 在很长一段时间一直为 ～1 左右。随着纳米技术的发展，Bi2Te3 基热电材料的研究重点也转向了纳米尺度的 Bi2Te3 基热电材料的制备。用水热法制备Bi2Te3纳米管，还有电化学沉积Bi2Te3基纳米线阵列，激光脉冲趁机获金属有机化学气相沉积等方法制备Bi2Te3薄膜。其中，值得一提的是Bed Poudel等人通过对 p-type BiSbTe 晶体用球磨机进行研磨成纳米粉体，然后进行热压，测量得到的ZT 值在370K 附近可达 ～1.4。但是，由于纳米结构在热循环过程中容易受到破坏，并且不容易加工成器件等缺点，纳米 Bi2Te3 基热电材料的发展受到很大的限制。所以在本发明中，采用了传统的固熔体方法和掺杂方法合成块体材料，通过调节 Bi2Te3 基中 Te 的含量，并在 Bi 位掺杂少量不同电负性，不同价电子数的InSb从而调节载流子浓度，发现获得的，Bi38-x(InSb)xTe62 化合物在 323 K 的 ZT 值达到1.108。而合成的未掺杂Bi38Te62，ZT值最大为0.767，说明掺杂少量的InSb调节了载流子浓度，使得ZT得到优化。
发明内容
本发明的目的是用传统简单的固熔和掺杂方法的得到较高ZT值的Bi2Te3 基热电材料。通过在 Bi2Te3 基热电材料中适当的改变 Te 含量，并掺杂少量的 InSb ，合成 Bi38-x(InSb)xTe62化合物，发现该化合物在 323 K 的 ZT 值达到1.108。
在本发明中，Bi38-x(InSb)xTe62 化合物，其特征是Te名义摩尔含量在～62%，并在Bi位掺杂少量的InSb，其中0.6≤x≤0.8。
本发明的碲化铋基热电材料 Bi38-x(InSb)xTe62 的制备方法和测试方法包括以下步骤：
1.   制备方法：一步合成法，包括如下步骤：将可选用单质原料按Bi38-x(InSb)xTe62（0.6≤x≤0.8）的化学式含量称重。装入底部烧结较平石英管中进行真空线封管，然后竖直放入马弗炉中，在780℃烧结反应2至3天，然后缓慢降温至530℃，即获得Bi38-x(InSb)xTe62。
本发明的制备方法，其突出优点在于：制备技术简单，直接得到致密度高的块体材料。
2.     测试方法：电导率及赛贝克系数测量在ULVAC ZEM-3上进行，热扩散系数测试在激光热导仪(Netzsch LFA 457)上进行（氩气气氛，以pyroceram9606为标样），热导率由公式κ(T) = α(T) × Cp(T) × ρ(T)计算得到。其中，α(T)指热扩散系数，CP(T)指热容，ρ(T)指实验样品的密度。
本发明的Bi38-x(InSb)xTe62 化合物的热电性能突出，致密度高，有可能在空间探索等领域得到应用。
附图说明
图1为Bi38-x(InSb)xTe62 电阻率随温度变化图；
图2为Bi38-x(InSb)xTe62 热电势随温度变化图；
图3为Bi38-x(InSb)xTe62 热导随温度变化图；
图4为Bi38-x(InSb)xTe62 的热电性能值（ZT值）图。
具体实施方式
实施例1：一步合成法合成Bi38-x(InSb)xTe62
将可选用单质原料按Bi38-x(InSb)xTe62（0.6≤x≤0.8）的化学式含量称重。装入底部烧结较平石英管中进行真空线封管，然后竖直放入马弗炉中，在780℃烧结反应2至3天，然后缓慢降温至530℃，即获得Bi38-x(InSb)xTe62。
实施例2：切割打磨样品 Bi38-x(InSb)xTe62 进行热电性能测试
将上述方法制备得到的 Bi38-x(InSb)xTe62 块材样品用金刚石切割机切割，然后用砂纸打磨。样品先用切割机切割出基本的圆片和长方体样品，然后用砂纸打磨；圆片样品厚度为1.93mm，直径10.17mm。长方体的横截面积为2.16 × 2.16 mm2，在耐驰LFA457装置上测试圆片的热扩散系数，采用pyrocream 9606作为标样，并在氩气气氛下测试。在ULVAC ZEM-3上测试其电导率及赛贝克系数。
实施例3：样品Bi38-x(InSb)xTe62的热电性能测试结果
上述测试结果表明，电阻率随温度增大而增大，由室温下的8.03*10-6Ω m增大到447K下的9.99*10-6Ωm。赛贝克系数的绝对值随着温度的升高先增大，在323K时达到最大234μV/K，然后减小。赛贝克系数为负表明Bi38-δ (InSb)δTe62的大多数载流子是电子。热导率随温度升高变大，其中，室温附近的热导为1.9W/m.K。根据热电优值公式：Z=S2σ/K，其中S为材料的赛贝克系数，σ为电导率，K为热导率,可得出Bi38-x(InSb)xTe62样品的ZT值在323K为1.108。

Claims (3)

1.一种含InSb元素的铋碲基热电材料Bi38-x(InSb)xTe62，其特征在于：铋位电子组态为6s26p3，In的电子组态为5s25p1，Sb电子组态为5s25p3；铋位掺杂了少量不同电负性，不同价电子数的In和Sb；(BiInSb) ：Te的名义摩尔比例为38 ：62。
2.一种权利要求1所述铋碲基热电材料Bi38-x(InSb)xTe62，其特征在于铋碲中碲的名义摩尔成分为62%，并在铋位掺杂了少量的In和Sb，其中0.6≤ x ≤0.8。
3.一种权利要求1所述的铋碲基热电材料Bi38-x(InSb)xTe62的制备方法，该制备方法为一步合成法，包括如下步骤：将可选用单质原料按 Bi38-x(InSb)xTe62，0.6≤x≤0.8，化学式含量称重；装入底部烧结较平石英管中进行真空线封管，然后竖直在780℃烧结反应2至3天，然后缓慢降温至530℃即获得Bi38-x(InSb)xTe62。
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