CN103290249A - 生产热电转换材料的方法、装置及生产溅射靶材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体材料领域，具体而言，涉及生产热电转换材料的方法、装置及用该材料生产溅射靶材的方法。生产热电转换材料的方法，包括如下步骤：（A）将质量分数0%-15%的铋、25%-40%的锑和56%-63%的碲混合，组成原料；（B）对原料进行真空熔炼处理，得到半导体热电转换材料BiSbTe金属化合物。本发明是利用真空熔炼的方法，通过在传统的碲化铋材料中，均匀地掺杂了类金属元素锑（Sb）在碲化铋的金属合金里面，形成一种金属化合物BiSbTe，改变了材料的能带间隙，从而提高半导体合金里面的电载体自由空穴的浓度，极大地提高了材料本身的热-电性能，即所谓的ZT参数，掺杂的元素不会产生偏析，或者晶体缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，具体而言，涉及生产热电转换材料的方法，本发明还涉及生产热电转换材料的装置及用该材料生产溅射靶材的方法。
背景技术
热-电转换作为一种新能源的发电方式，是一种近几年才发展的新技术应用领域。它是一种利用温度的差异，导致材料里面的电载体浓度在温差下出现梯度，从而出现电载体的扩散，导致电流的产生。碲化铋（Bi2Te3），硒化铋（Bi2Se3）等合金是常用的热-电材料。这些材料被用于热-电制冷和发电等。这些材料的使用，通常是以块状的形式来制作设备。
现有技术所用的材料，通常都是用传统的长单晶的方法来生产这种合金，成本昂贵，有时在制造这种半导体材料时，要掺杂其他元素来调节电载体的浓度。这种传统的生产方法，很难能够使掺杂元素达到均匀地分布的效果。掺杂的元素会产生偏析，或者晶体缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供生产热电转换材料的方法，以解决上述的问题。
本发明的另一目的在于提供生产热电转换材料的装置，以辅助解决上述的问题。
本发明的再一目的在于提供用热电转换材料生产溅射靶材的方法。
在本发明的实施例中提供了生产热电转换材料的方法，包括如下步骤：
（A）将质量分数0%-15%的铋、25%-40%的锑和56%-63%的碲混合，组成原料；
（B）对原料进行真空熔炼处理，得到半导体热电转换材料BiSbTe金属化合物。
在本发明的实施例中提供生产热电转换材料的装置，包括，工业电炉、坩埚、坩埚盖和能够装所述坩埚的金属真空容器；所述坩埚盖上设置有通气孔，所述坩埚盖盖在所述坩埚上，所述金属真空容器设置有抽气真空阀，所述金属真空容器置于所述工业电炉中。
本发明提供用热电转换材料生产溅射靶材的方法，包括如下步骤：
（Ⅰ）将BiSbTe化合物进行粉末冶金处理，得到干燥的BiSbTe粉末。
（Ⅱ）将干燥的BiSbTe粉末进行热压烧结处理，得到铋锑碲溅射靶材。
本发明是利用真空熔炼的方法，通过在传统的碲化铋材料中，均匀地掺杂了类金属元素锑（Sb）在碲化铋的金属合金里面，形成一种金属化合物BiSbTe，改变了材料的能带间隙,从而提高半导体合金里面的电载体自由“空穴”的浓度，极大地提高了材料本身的热-电性能，即所谓的ZT参数，掺杂的元素不会产生偏析，或者晶体缺陷。
本发明将BiSbTe制成溅射靶材，通过氩气等离子体的溅射，在不同的基底上形成薄膜材料。这个与传统用整块材料来完成热-电转换，有着很大的不同。用BiSbTe薄膜的超晶格结构能够产生更高效率的热-电转换。
附图说明
图1示出了本发明生产半导体热电转换材料装置的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
本发明提供的P型半导体热电转换材料的生产方法，包括如下步骤：
（A）将质量分数0%-15%的铋、25%-40%的锑和56%-63%的碲混合，组成原料；
（B）对原料进行真空熔炼处理，得到半导体热电转换材料BiSbTe金属化合物。
进一步来说，（B）步骤具体包括如下步骤：
（B1）将原料置于坩埚中，并将坩埚放入真空装置中，将真空装置抽真空，真空度为1×10-1Pa-1×10-3Pa；
（B2）将坩埚按一定的加热速度加热至预定温度，使原料反应结束；预定温度为590℃-650℃；
（B3）在真空度为1×10-1Pa-1×10-3Pa的真空条件下自然降温至降温温度，降温温度为40℃-60℃，得到半导体热电转换材料BiSbTe金属化合物。
较好的，步骤（B2）具体包括如下步骤：
（B21）按加热速度为80℃/小时-120℃/小时，将坩埚加热至预定温度；
（B22）在预定温度下，保持165分钟-195分钟，使原料反应结束。
较好的，步骤（B2）中，预定温度为590℃-610℃。
较好的，步骤（B3）中，降温温度为40℃-50℃。
本实施例提供的一种用上述方法生产的热电转化材料生产溅射靶材的方法，其包括如下步骤：
（Ⅰ）将BiSbTe化合物进行粉末冶金处理，得到干燥的BiSbTe金属化合物粉末。
（Ⅱ）将干燥的BiSbTe粉末进行热压烧结处理，得到铋锑碲溅射靶材。
进一步来说，还包括如下步骤：
（Ⅲ）将得到铋锑碲溅射靶材进行磨床加工，加工成与溅射背板相配合的铋锑碲溅射靶材。
如图1所示，本实施例提供的一种用于生产上述热电转换材料的装置，包括工业电炉6、坩埚5、坩埚盖2和能够装所述坩埚的金属真空容器4；所述坩埚盖2上设置有通气孔3，所述坩埚盖2盖在所述坩埚5上，所述金属真空容器4设置有抽气真空阀1，所述金属真空容器4置于所述工业电炉6中。上面所说的工业电炉6可以是井式电阻炉，或者真空感应炉。坩埚5和/或坩埚盖2的材质为二氧化硅，其纯度为99.99%。使用时，将装有原料的坩埚5，盖上坩埚盖2，置于金属真空容器4中，然后将金属真空容器4置于工业电炉6中，将金属真空容器4抽真空，达到一定的真空度，然后关掉抽气真空阀1。然后，通过电磁感应对坩埚5加热。
以下，为本实施例生产热电转换材料的实验实施例。
实施例1：
首先将重量比为15.0%的铋（Bi），57.7%的碲（Te）和27.3%的锑（Sb），放入同一个坩埚中；坩埚通常用石英或者二氧化锆等材料制成；这种成份的组成，就形成Bi0.5Sb1.5Te3金属化合物。
将坩埚放入不锈钢的真空容器当中。然后将真空容器置于井式电炉中，或者直接置于真空的井式电炉之中。
将真空容器或者井式真空电炉直接抽真空，使容器内的真空度达到1×10-1Pa到1×10-3Pa，然后封死抽气管或者关掉真空阀。加热过程和在高温条件下反应的过程中不在抽真空。
利用电磁感应对坩埚里的材料进行加热。从室温加热到590℃～610℃，加热速度控制在90℃/小时～100℃/小时。在该温度下保持180分钟～185分钟。
让在坩埚里面的元素在真空和高温的条件下进行充分反应180分钟～185分钟之后，切断对电炉的电源，坩埚还在真空条件下自然降温至50℃。打开真空容器，取出坩埚中的合金，就是本发明方法生产的热-电转换材料Bi0.5Sb1.5Te3。
实施例2：
首先将按照重量比0%的铋（Bi）,40%锑（Sb）和60%碲（Te），放入同一个坩埚中；坩埚通常用石英或者二氧化锆等材料制成。
将坩埚放入不锈钢的真空容器当中。然后将真空容器置于井式电炉中，或者直接置于真空的井式电炉之中。
将真空容器或者井式真空电炉直接抽真空，使容器内的真空度达到1×10-1Pa到1×10-3Pa，然后封死抽气管或者关掉真空阀。加热和在高温反应的过程中不再抽真空。
利用电磁感应对坩埚里的材料进行加热。从室温加热到630℃～650℃，加热速度控制在90℃/小时～100℃/小时。在该温度下保持165分钟～185分钟。
让在坩埚里面的原料在真空和高温的条件下进行充分反应165分钟～185分钟之后，切断对电炉的电源，坩埚还在真空条件下自然降温至40℃。打开真空容器，取出坩埚中的合金，就是本发明方法生产的热电转换材料Sb2.1Te3。
实施例3：
首先将按照重量比15%的铋（Bi），60%碲（Te）和25%锑（Sb），放入同一个坩埚中；坩埚通常用石英或者二氧化锆等材料制成。
将坩埚放入不锈钢的真空容器当中。然后将真空容器置于井式电炉中，或者直接置于真空的井式电炉之中。
将真空容器或者井式真空电炉直接抽真空，使容器内的真空度达到1×10-1Pa到1×10-3Pa，然后封死抽气管或者关掉真空阀。加热和高温反应的过程中不再抽真空。
利用电磁感应对坩埚里的材料进行加热。从室温加热到630℃～640℃，加热速度控制在80℃/小时～100℃/小时。在该温度下保持180分钟～195分钟。
让在坩埚里面的原料在真空和高温的条件下进行充分反应180分钟～195分钟之后，切断对电炉的电源，坩埚还在真空条件下自然降温至60℃。打开真空容器，取出坩埚中的合金，就是本发明方法生产的热电转换材料Bi0.46Sb1.31Te3。
实施例4：
首先将按照重量比7%的铋（Bi），63%碲（Te）和30%锑（Sb），放入同一个坩埚中；坩埚通常用石英或者二氧化锆等材料制成。
将坩埚放入不锈钢的真空容器当中。然后将真空容器置于井式电炉中，或者直接置于真空的井式电炉之中。
将真空容器或者井式真空电炉直接抽真空，使容器内的真空度达到1×10-1Pa到1×10-3Pa，然后封死抽气管或者关掉真空阀。加热的过程中不再抽真空。
利用电磁感应对坩埚里的材料进行加热。从室温加热到630℃～640℃，加热速度控制在110℃/小时～120℃/小时。在该温度下保持165分钟～180分钟。
让在坩埚里面的原料在真空和高温的条件下进行充分反应165分钟～180分钟之后，切断对电炉的电源，坩埚还在真空条件下自然降温至50℃。打开真空容器，取出坩埚中的合金，就是本发明方法生产的热电转换材料Bi0.20Sb1.50Te3。
用本实施例所述的方法所生产的热电转换材料Bi0.5Sb1.5Te3，能够产生动力因素（Power Factor：S2×电阻率,S为Seebeck系数，为热-电材料发电能力的重要指标）比传统的材料要高96%。Bi0.5Sb1.5Te3所产生的动力元素为4.79E-03W/mK2;而传统的热-电材料Sb2Te3动力因素为2.44E-03W/mK2。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种生产热电转换材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（A）将质量分数0%-15%的铋、25%-40%的锑和56%-63%的碲混合，组成原料；
（B）对原料进行真空熔炼处理，得到半导体热电转换材料BiSbTe金属化合物。
2.根据权利要求1所述的生产热电转换材料的方法，其特征在于，所述（B）步骤具体包括如下步骤：
（B1）将所述原料置于坩埚中，并将所述坩埚放入真空装置中，将所述真空装置抽真空，真空度为1×10-1Pa-1×10-3Pa；
（B2）将所述坩埚按一定的加热速度加热至预定温度，使原料反应结束；所述预定温度为590℃-650℃；
（B3）在真空度为1×10-1Pa-1×10-3Pa的真空条件下自然降温至降温温度，所述降温温度为40℃-60℃，得到半导体热电转换材料BiSbTe。
3.根据权利要求2所述的生产热电转换材料的方法，其特征在于，所述步骤（B2）具体包括如下步骤：
（B21）按所述加热速度为80℃/小时-120℃/小时，将所述坩埚加热至预定温度；
（B22）在所述预定温度下，保持165分钟-195分钟，使原料反应结束。
4.根据权利要求2所述的生产热电转换材料的方法，其特征在于，所述步骤（B2）中，所述预定温度为590℃-610℃。
5.根据权利要求2所述的生产热电转换材料的方法，其特征在于，所述步骤（B3）中，所述降温温度为40℃-50℃。
6.一种用于生产权利要求1-5任一所述的热电转换材料的装置，其特征在于，包括，工业电炉、坩埚、坩埚盖和能够装所述坩埚的金属真空容器；所述坩埚盖上设置有通气孔，所述坩埚盖盖在所述坩埚上，所述金属真空容器设置有抽气真空阀，所述金属真空容器置于所述工业电炉中。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述工业电炉为井式电阻炉或者真空感应炉。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述坩埚盖的材质为二氧化硅，其纯度为99.99%；
和/或，所述坩埚的材质为二氧化硅，其纯度为99.99%。
9.一种用权利要求1-5任一所述的热电转换材料生产溅射靶材的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（Ⅰ）将BiSbTe化合物进行粉末冶金处理，得到干燥的BiSbTe粉末；
（Ⅱ）将干燥的BiSbTe粉末进行热压烧结处理，得到铋锑碲溅射靶材。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
（Ⅲ）将得到铋锑碲溅射靶材进行磨床加工，加工成与溅射背板相配合的铋锑碲溅射靶材。
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