CN104032194B - 共掺杂Mg‑Si‑Sn 基热电材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种共掺杂Mg‑Si‑Sn基复合热电材料、亚微米晶热电材料及其制备方法,所述热电材料的化学通式为Mg2RxSiySn1‑yMz,其中,R表示Gd或La,M表示Sb或Bi,0.005≤x≤0.045,0.1≤y≤0.9,0.005≤z≤0.045。本发明提供的共掺杂热电材料与单元素掺杂相比,大幅度降低了电阻率和热导率,同时功率因子提高,材料的最高ZT值达到1.4;另外,提供共掺杂Mg‑Si‑Sn基热电材料的两种制备方法,即射频感应烧结‑非平衡凝固‑退火方法、高能球磨+射频感应热压方法,这两种方法流程简单、制备周期短、可控性好,能快速有效的制备高性能Mg‑Si‑Sn基复合热电材料和Mg‑Si‑Sn基亚微米晶热电材料。
Description
技术领域
本发明属于半导体热电材料领域,涉及一种Mg-Si-Sn基复合热电材料、亚微米热电材料及其制备方法,特别是涉及一种共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料、亚微米晶热电材料及其制备方法。
背景技术
热电材料是一种通过内部载流子(电子或空穴)的运动来实现热能和电能直接相互转换的半导体功能材料,在温差发电和固态制冷等领域有广泛的应用前景。用热电材料制成的发电装置可利用自然界温差和工业余热、废热发电,进行能源的二次利用;可作为空间探索、野外作业、海洋灯塔、游牧人群使用的电源。用热电材料制造的制冷装置则具有机械压缩制冷机难以娉美的优点:尺寸小、质量轻、无任何机械转动部分,工作无噪声、无液态或气态介质,因此不存在环境污染问题,可实现精确控温,响应速度快,器件使用寿命长,还可为超导材料的使用提供低温环境。另外利用热电材料制备的微型元件可用于制备微型电源、微区冷却、光通信激光二极管和红外线传感器的调温系统等等。热电器件的性能取决于材料的无量纲“优值”ZT:ZT=(α2σ/κ)T,其中,α是材料的热电系数,σ是电导率,κ是热导率,T是绝对温度。材料的ZT值越大说明其热电性能越好。由定义公式可知,一种好的热电材料应具有高的塞贝克系数和电导率以及低的热导率。
传统热电材料包括低温区Bi2Te3、中温区PbTe、高温区SiGe等。近二十年来,一些性能较好的新型热电材料逐渐被人们发现,如方钴矿(Skutterudites,如CoSb3)、金属氧化物(Na-Co-O系和Ca-Co-O系)、Half-Heusler化合物等。然而,上述热电材料大都含Te、Pb、Co、Sb、Se等稀缺或有毒元素。在环境污染和能源危机日益严重的今天,研究高效环保型热电材料并提高其性能,具有很强的现实意义和应用价值。
Mg-Si-Sn基热电材料是适用于中温(400-800K)领域的一类热电材料,和其他中温区热电材料(PbTe和CoSb3)相比有很多优势,如无毒无污染、价格低廉、质量轻等。锑(Sb)和铋(Bi)是Mg-Si-Sn基热电材料常用的掺杂元素,Sb或Bi易取代Si和Sn的位置,作为施主掺杂。目前报道的性能较好的Mg-Si-Sn基热电材料为Sb掺杂的Mg2Si0.3Sn0.7(Phys.Rev.Letts108,2012,p.166601)、或Bi掺杂的Mg2Si0.4Sn0.6(J.Solid StateChem.203,2013,p.333),最高ZT分别为1.3、1.4。另有报道用感应熔炼+长时间退火方法制备Sb掺杂Mg2Si0.4Sn0.6热电材料(Phy.Rev.B41,2006,p.185103),最高ZT为1.1。稀土元素加入Mg-Si-Sn基热电材料中可能取代Mg的位置,形成施主掺杂提高载流子浓度,同时增加点缺陷降低晶格热导率,从而提高材料的热电性能。有报道镧(La)单元素掺杂Mg2Si0.6Sn0.4热电材料(专利CN101197419A)和La+Sb共掺杂Mg2Si0.5Ge0.5(J.Electron.Mater.41,2012,p.1589)。但这些性能较好的Mg-Si-Sn基热电材料大多利用长时间球磨或固态反应方法再结合放电等离子体烧结制备,耗时较长,工艺复杂,且成本较高。
本发明基于已报道的研究,进一步设计提供了Gd+Sb,或Gd+Bi,或La+Bi共掺杂的Mg-Si-Sn基热电材料及其制备方法,所制备材料的热电优值高达1.4。相关工作,至今未见文献报道。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种共掺杂Mg-Si-Sn基热电材料及其制备方法,用于解决现有技术中制备时间长、性能差的问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料,所述共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料的化学通式为Mg2RxSiySn1-yMz,其中,R表示Gd或La,M表示Sb或Bi,0.005≤x≤0.045,0.1≤y≤0.9,0.005≤z≤0.045。
优选地,所述热电材料具有不同的Mg:Si:Sn原子摩尔含量比、以及不同的M掺杂浓度。
优选地,x的取值范围为0.005≤x≤0.015。
优选地,y的取值范围为0.3≤y≤0.7。
优选地,z的取值范围为0.01≤z≤0.03。
优选地,所述共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料采用射频感应炉中速降温法和热处理方法。
本发明还提供一种共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料的制备方法,所述制备方法至少包括以下步骤:
1)按照化学通式Mg2RxSiySn1-yMz中元素的化学计量比称取单质原料Mg、Si、Sn、R和M,其中Mg按原子百分比过量3%~10%,以补偿后续高温过程中Mg的蒸发损失;其中,R表示Ga或La,M表示Sb或Bi,0.005≤x≤0.045,0.1≤y≤0.9,0.005≤z≤0.045;
2)将称取的原料密封于由惰性陶瓷/导电感应器组成的双层容器中,之后将该容器置于射频感应炉内加热至第一温度,于第一温度下保温t1时间后降温至第二温度,于第二温度下保温t2时间后快速冷却至室温;
3)将所述容器转移至温度分布均匀的加热炉内,在第三温度下退火t3时间,冷却后,获得共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料。
优选地,所述步骤2)中射频感应炉内通入惰性气体,射频感应炉的电源频率大于100kHz。
优选地,所述惰性气体为高纯氮气或者氩气,炉内气压为0.05~6个大气压。
优选地,所述步骤2)中的第一温度为900~1100℃,保温时间t1为30~120分钟;第二温度为500~700℃,保温时间t2为10~60分钟,其中,从第一温度降至第二温度的速率为10~100℃/min;所述步骤3)中在惰性气体的保护下进行退火,退火温度为550~750℃,退火时间t3为10~200小时,退火后的冷却速率为1~10K/min。
本发明再提供一种共掺杂Mg-Si-Sn基亚微米晶热电材料的制备方法,所述制备方法至少包括以下步骤:
先利用权利要求7所述的制备方法获得共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料,之后将所述共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料打碎,在手套箱内按10:1的球料比封入球磨罐,取出后在设定转速的高能球磨机内进行球磨;将所得球磨粉末装入耐高压石墨模具后,利用射频感应热压设备在惰性气体保护条件中以设定的温度、设定压强下热压一定的时间得到共掺杂的Mg-Si-Sn基亚微米晶块体热电材料。
优选地,采用转速为500-1000rpm的高能球磨机进行球磨,球磨时间为3~100小时;热压工艺的温度为600~700℃、压强为30~100MPa,热压15~60分钟。
本发明另外还提供一种共掺杂Mg-Si-Sn基亚微米晶热电材料,所述共掺杂Mg-Si-Sn基亚微米晶热电材料的化学通式为Mg2RxSiySn1-yMz,其中,R表示Gd或La,M表示Sb或Bi,0.005≤x≤0.045,0.1≤y≤0.9,0.005≤z≤0.045。
优选地,所述共掺杂元素分布均匀,亚微米晶粒尺寸为5nm~2μm。
如上所述,本发明的共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料及其制备方法,具有以下有益效果:
(1)本发明有利于获得高性能的Mg-Si-Sn基复合共掺杂热电材料,Gd+Sb双掺杂大幅度降低了电阻率和热导率,同时功率因子不受影响,材料的最高ZT值达到1.4;
(2)本发明提供的两种Mg-Si-Sn基热电材料的制备方法,流程简单、制备周期短、可控性好,能快速有效的制备高性能Mg-Si-Sn基复合材料和Mg-Si-Sn基亚微米晶热电材料,有利于规模化工业生产。
附图说明
图1a为本发明实施例一制备的热电材料的低倍率SEM图。
图1b为图1a中I、II、III、IV区域的EDS能谱图。
图2a为实施例一和对比例1制备材料的热电性能与现有技术中具有相同成分的Sb掺杂Mg-Si-Sn热电材料的Seebeck系数比较曲线。
图2b为实施例一和对比例1制备材料的热电性能与现有技术中具有相同成分的Sb掺杂Mg-Si-Sn热电材料的电导率比较曲线。
图2c为实施例一和对比例1制备材料的热电性能与现有技术中具有相同成分的Sb掺杂Mg-Si-Sn热电材料的功率因子比较曲线。
图2d为实施例一和对比例1制备材料的热电性能与现有技术中具有相同成分的Sb掺杂Mg-Si-Sn热电材料的热导率比较曲线。
图2e为实施例一和对比例1制备材料的热电性能与现有技术中具有相同成分的Sb掺杂Mg-Si-Sn热电材料的ZT比较曲线。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。
在射频感应烧结过程中,频率大于100kHz的高频电流在感应线圈内部产生交变磁场,处于交变磁场的导电感应器表面形成高密度涡流,利用涡流和磁滞损耗产生热效应,感应器在较短时间内从室温升至900~1100℃。惰性陶瓷坩埚内的样品在热传导作用下也很快升温,同时10~30mm厚的感应器对交变磁场起屏蔽作用,因此坩埚内Mg、Sn等金属元素几乎不受电磁搅拌影响。
另外,该射频感应炉在烧结过程炉内通入惰性气体,炉体的漏率低于2Pa/小时。优选的,所述惰性气体为高纯氮气或氩气,炉内气压为0.05~6个大气压。
以下结合附图对本发明的共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料、共掺杂Mg-Si-Sn基亚微米晶热电材料及其制备方法做详细描述。
实施例一
在充有氮气的手套箱内,按化学计量Mg2.11Gd0.01Si0.4Sn0.6Sb0.01称取单质原料Mg、Gd、Si、Sn、Sb,将这些原料密封于由惰性陶瓷/导电感应器组成的双层容器中,之后置于射频感应炉内,在高纯氮气保护下加热至1000℃,保温30分钟使其充分熔化,然后以20℃/min的速率降温至600℃,保温30分钟后快速冷却至室温,然后再转移至温度分布均匀的加热炉内在高纯氮气保护下600℃退火20小时,以5K/min的速度冷却后,得到Gd和Sb共掺杂的Mg-Si-Sn基复合热电材料。
采用PW6800/7扫描电子显微镜(SEM)及其配套的能量分散X射线谱仪(EDS)观察本例材料的微观结构和成分分布。样品由周期性的局部层状结构组成。从图1a的SEM图片可以看到,局部层状结构I-III衬度不一致,并且III层弥散分布有尺寸为1μm左右的颗粒IV。图1b比较了I-IV的EDS分析结果。I层至III层没有明显的Gd元素谱线,但Mg:Si:Sn:Sb的原子摩尔含量比分别为1.97:0.85:0.15:0.00、2.03:0.77:0.23:0.02、1.96:0.24:0.76:0.03,证明试样具有调制掺杂结构,即每层具有不同的Mg:Si:Sn比例和掺杂浓度。另一方面,IV层的Mg:Gd:Si:Sn:Sb的原子摩尔含量比为1.98:0.50:0.58:0.42:0.03,说明Gd元素与Mg、Si、Sn形成四元化合物。
采用Linseis LFA1000激光热导仪测量样品的热扩散系数D和比热Cp,利用LSR-3热电测量系统测量Seebeck系数S和电导率σ,用阿基米德法测量样品的密度ρ,然后由公式κ=D×Cp×ρ计算热导率κ。最后根据公式ZT=(S2σ/κ)T计算得到样品的ZT值。本实施例试样的ZT在513℃时达到1.40。
对比例一
在充有氮气的手套箱内,按化学计量Mg2.11Si0.4Sn0.6Sb0.01称取单质原料Mg、Si、Sn、Sb,将这些原料密封于由惰性陶瓷/导电感应器组成的双层容器中,之后置于射频感应炉内,在高纯氮气保护下加热至1000℃,保温30分钟使其充分熔化,然后以20℃/min的速率降温至600℃,保温30分钟后快速冷却至室温,然后再转移至温度分布均匀的加热炉内在高纯氮气保护下600℃退火20小时,以5K/min的速度冷却后,得到Gd和Sb共掺杂的Mg-Si-Sn基复合热电材料。分别采用LFA1000激光热导仪、LSR-3热电测量系统测量样品的热导率κ和电学性能S、σ。
图2a-2e分别是实施例1、对比例1样品的Seebeck系数S、电导率σ、功率因子S2σ、热导率κ、晶格热导率κph、无量纲优值ZT随温度的变化曲线及其与参考文献1(W.Liu,et al.,Phys.Rev.Lett.108,2012,p.166601)中具有相近成分试样的对比。参考文献1的试样是目前文献报道中具有最高ZT的Sb掺杂Mg2.0Si0.4Sn0.6热电材料,实测成分为Mg2.14Si0.39Sn0.60Sb0.009,和对比例1的成分非常接近。参考1试样采用长时间的固相反应法和放电等离子体烧结方法制备,成分分布较均匀。
由图2a可以看出,实施例1试样的Seebeck系数绝对值与参考1试样非常接近,但高于对比例1试样。
由图2b可以看出,实施例1试样的电导率低于对比例1,说明Gd与Mg、Si、Sn形成的四元化合物杂质散射电子导致电导率略有下降。实施例1试样的电导率远高于参考文献1试样,说明调制掺杂结构能有效提高电导率。
由图2c可以看出,实施例1的功率因子高于对比例1,同时远高于参考试样1,证实调制掺杂结构和Gd+Sb双掺杂能有效提高材料的功率因子。
由图2d可以看出,实施例1试样的总体热导率κ高于参考文献1试样,但低于对比例1,证实Gd+Sb双掺杂有助于降低热导率。
从图2e可以看出,实施例1试样的ZT在513℃时高达1.40,超过目前国际报道的Sb掺杂Mg-Si-Sn材料的最高ZT值,证实Gd+Sb能有效提高材料的整体性能。
实施例二
按化学计量比Mg2.11Gd0.01Si0.5Sn0.5Sb0.01称量单质Mg、Si、Sn、Gd和Sb,将这些原料密封于由惰性陶瓷/导电感应器组成的双层容器中,之后置于射频感应炉内,在高纯氮气保护下加热至1000℃,保温30分钟使其充分熔化,然后以20℃/min的速率降温至600℃,保温30分钟后快速冷却至室温,然后再转移至温度分布均匀的加热炉内在高纯氮气保护下600℃退火20小时,以5K/min的速度冷却后,得到Gd和Sb共掺杂的Mg-Si-Sn基复合热电材料。
通过LFA1000激光热导仪和LSR-3热电测量系统对样品进行热学和电学性能测试。本例试样的ZT在513℃时高达1.31。
实施例三
按化学计量比Mg2.11La0.01Si0.3Sn0.7Bi0.01称量单质Mg、Si、Sn、La和Bi,将这些原料密封于由惰性陶瓷/导电感应器组成的双层容器中,之后置于射频感应炉内,在高纯氮气保护下加热至1000℃,保温30分钟使其充分熔化,然后以20℃/min的速率降温至600℃,保温30分钟后快速冷却至室温,然后再转移至温度分布均匀的加热炉内在高纯氮气保护下600℃退火20小时,以5K/min的速度冷却后,得到La和Bi共掺杂的Mg-Si-Sn基复合热电材料。
通过LFA1000激光热导仪和LSR-3热电测量系统对样品进行热学和电学性能测试。本例试样的ZT在410℃时达到1.11。
实施例四
按化学计量比Mg2.12La0.005Si0.5Sn0.5Bi0.01称量单质Mg、Si、Sn、La和Bi,将这些原料密封于由惰性陶瓷/导电感应器组成的双层容器中,之后置于射频感应炉内,在高纯氮气保护下加热至1000℃,保温30分钟使其充分熔化,然后以20℃/min的速率降温至600℃,保温30分钟后快速冷却至室温,然后再转移至温度分布均匀的加热炉内在高纯氮气保护下600℃退火20小时,以5K/min的速度冷却后,得到Gd和Sb共掺杂的Mg-Si-Sn基复合热电材料。再将所得的材料打碎,在手套箱内按10:1的球料比封入球磨罐,以500prm的转速球磨15~30小时;将所得球磨粉末装入耐高压石墨模具后,利用射频感应双向热压设备在650℃,50MPa条件下惰性气体保护热压30分钟,得到La和Bi共掺的Mg-Si-Sn基亚微米晶块体热电材料。
采用PW6800/7扫描电子显微镜(SEM)及其配套的能量分散X射线谱仪(EDS)、Philips CM200FEG透射电镜(TEM)观察本例材料的微观结构和成分分布。试样的掺杂元素分布、成分分布都比较均匀,晶粒尺寸为5nm~2μm。
通过LFA 1000激光热导仪和LSR-3热电测量系统对烧结样品和热压样品进行热学和电学性能测试。得到的热压试样的ZT在410℃时达到0.82。
实施例五
采用实施例一和实施例四的方法分别制备了Mg2.11Gd0.01Si0.3Sn0.7Bi0.02、Mg2.11Gd0.01Si0.6Sn0.4Bi0.02、Mg2.11La0.01Si0.4Sn0.6Bi0.03、Mg2.11La0.01Si0.7Sn0.3Bi0.03复合材料以及亚微米晶热电材料,样品的热电性能在408℃-520℃范围内达到0.8-1.4。
综上所述,本发明提供一种共掺杂的Mg-Si-Sn基复合热电材料、亚微米晶热电材料及其制备方法,实现了材料功率因子的提高和热导率的降低,将Mg2Si-Mg2Sn基热电材料的性能提高至ZT=1.4。本发明的方法简单、经济、有效,有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (14)
1.一种共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料,其特征在于,所述共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料的化学通式为Mg2GdxSiySn1-yMz,其中,M表示Sb或Bi,0.005≤x≤0.045,0.1≤y≤0.9,0.005≤z≤0.045。
2.根据权利要求1所述的共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料,其特征在于:所述热电材料具有不同的Mg:Si:Sn原子摩尔含量比、以及不同的M掺杂浓度。
3.根据权利要求1所述的共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料,其特征在于:x的取值范围为0.005≤x≤0.015。
4.根据权利要求1所述的共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料,其特征在于:y的取值范围为0.3≤y≤0.7。
5.根据权利要求1所述的共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料,其特征在于:z的取值范围为0.01≤z≤0.03。
6.根据权利要求1~5任一项所述的共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料,其特征在于:所述共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料采用射频感应炉中速降温法和热处理方法。
7.一种如权利要求1~6任一项所述的共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法至少包括以下步骤:
1)按照化学通式Mg2GdxSiySn1-yMz中元素的化学计量比称取单质原料Mg、Si、Sn、Gd和M,其中Mg按原子百分比过量3%~10%,以补偿后续高温过程中Mg的蒸发损失;其中,M表示Sb或Bi,0.005≤x≤0.045,0.1≤y≤0.9,0.005≤z≤0.045;
2)将称取的原料密封于由惰性陶瓷/导电感应器组成的双层容器中,之后将该容器置于射频感应炉内加热至第一温度,于第一温度下保温t1时间后降温至第二温度,于第二温度下保温t2时间后快速冷却至室温;
3)将所述容器转移至温度分布均匀的加热炉内,在第三温度下退火t3时间,冷却后,获得共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料。
8.根据权利要求7所述的共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料的制备方法,其特征在于:所述步骤2)中射频感应炉内通入惰性气体,射频感应炉的电源频率大于100kHz。
9.根据权利要求8所述的共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料的制备方法,其特征在于:所述惰性气体为高纯氮气或者氩气,炉内气压为0.05~6个大气压。
10.根据权利要求7所述的共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料的制备方法,其特征在于:所述步骤2)中的第一温度为900~1100℃,保温时间t1为30~120分钟;第二温度为500~700℃,保温时间t2为10~60分钟,其中,从第一温度降至第二温度的速率为10~100℃/min;所述步骤3)中在惰性气体的保护下进行退火,退火温度为550~750℃,退火时间t3为10~200小时,退火后的冷却速率为1~10K/min。
11.一种共掺杂Mg-Si-Sn基亚微米晶热电材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法至少包括以下步骤:
先利用权利要求7所述的制备方法获得共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料,之后将所述共掺杂Mg-Si-Sn基复合热电材料打碎,在手套箱内按10:1的球料比封入球磨罐,取出后在设定转速的高能球磨机内进行球磨;将所得球磨粉末装入耐高压石墨模具后,利用射频感应热压设备在惰性气体保护条件中以设定的温度、设定压强热压一定的时间,得到共掺杂的Mg-Si-Sn基亚微米晶块体热电材料。
12.根据权利要求11所述的共掺杂Mg-Si-Sn基亚微米晶热电材料的制备方法,其特征在于:采用转速为500-1000rpm的高能球磨机进行球磨,球磨时间为3~100小时;热压工艺的温度为600~800℃、压强为30~100MPa,热压15~60分钟。
13.一种利用如权利要求11所述的制备方法获得的共掺杂Mg-Si-Sn基亚微米晶热电材料,其特征在于,所述共掺杂Mg-Si-Sn基亚微米晶热电材料的化学通式为Mg2GdxSiySn1-yMz,其中,M表示Sb或Bi,0.005≤x≤0.045,0.1≤y≤0.9,0.005≤z≤0.045。
14.根据权利要求13所述的共掺杂Mg-Si-Sn基亚微米晶热电材料,其特征在于:所述共掺杂元素分布均匀,亚微米晶粒尺寸为5nm~2μm。
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Also Published As
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