CN108511589A - 一种高构型熵热电化合物及其设计方法与制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明首次提出了一种高构型熵热电化合物及其设计方法与制备方法，通过对阴‑阳离子构成的基础化合物，同时在其阴离子位及阳离子位实现“高熵化”，构建并制备出阴离子位及阳离子位均为多主元的高构型熵材料新体系。该材料体系可实现电、热的协同输运，从而大幅度提升热电性能等，为热电材料性能优化提供了一条全新思路和途径，应用前景广阔。

Description

一种高构型熵热电化合物及其设计方法与制备方法

技术领域

本发明属于热电半导体材料领域，具体涉及一种高构型熵热电化合物及其设计方法与制备方法。

背景技术

热电转换技术利用热电材料直接将热能与电能进行相互转换，具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、适用温度范围广、有效利用低密度能量等特点，在工业余废热和汽车尾气废热的回收利用、高精度温控和特种电源技术等领域具有广泛的应用。

热电材料的转换效率由无量纲热电优值ZT(ZT＝α²σT/(κ_E+κ_L)，其中α为Seebeck系数、σ为电导率、κ是热导率(包含电子导热部分κ_E及晶格导热部分κ_L)、T为绝对温度)决定，电性能越高，热导率越低，ZT越大，材料的热电转换效率越高。然而，上述参数之间具有强烈的关联，Seebeck系数及电导率均依赖于载流子浓度但呈现相反的变化趋势，通常在提高(或降低)电导率时，同时引起Seebeck系数下降(或上升)。热导率中的电子热导率和电导率又表现出相同的变化趋势，随电导率增加，电子热导率及总热导率也增加。因此，热电材料的性能优化需要电输运与热输运的协同调控。

目前研究表明，增大材料的能谷简并度，能在维持电导率不显著降低的情况下，有效提高Seebeck系数，从而在一定程度上实现电性能自身的解耦。晶格热导率是热电材料中惟一独立的材料参数，通常可以采用晶体结构工程、缺陷工程、结构纳米化等手段进行优化。

综上所述，提高能谷简并度或降低晶格热导率均能有效优化材料的热电性能，但目前的改进技术往往仅限于其中一种优化策略。若能在一个热电材料体系中，同时实现能谷简并度的提高和晶格热导率的降低，将能实现电热输运的协同调控，大幅度提高材料的热电性能。尤其对于非六方或立方晶体结构的材料(对称性低、能谷简并度小的材料)，若能通过某种手段，在降低晶格热导率的同时，提高其晶体结构对称性，从而增大能谷简并度，提高其热电性能。这是热电材料科学领域一直在追求的重要目标。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种高构型熵热电化合物及其设计方法与制备方法，通过对阴离子位和阳离子位同时引入多种相同电性的元素，利用该高熵化手段提高晶体结构对称性，增大能谷简并度，同时其带来的复杂材料结构能大幅度降低晶格热导率，从而实现在一个材料体系中协同优化热电性能的效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高构型熵热电化合物，包括阴离子位元素和阳离子位元素，它为阴离子位和阳离子位均为多主元的单相高构型熵热电化合物。

上述方案中，所述高构型熵热电化合物，在满足电中性的前提下，通过对阴-阳离子基础化合物的阴离子位和阳离子位同时引入多种相同电性的元素(阴离子位元素和阳离子位元素)，且全部元素均能形成一个稳定单相(无其他杂相)的化合物而成。

上述方案中，所述阴-阳离子基础化合物为阴、阳离子构成的化合物；优选为阴、阳离子构成的常见热电化合物。

上述方案中，所述阴-阳离子基础化合物可以为类金刚石结构化合物(晶体结构通式为“II-VI”)、盐岩相结构化合物(晶体结构通式为“IV-VI”)、Half-Heusler化合物(晶体结构通式为“ABX”)、类ZrCuSiAs层状四方结构化合物(具有ZrCuSiAs层状四方结构的化合物)、类CoSbS正交结构化合物(具有CoSbS正交结构的化合物)或类FeAsS三斜结构化合物(具有FeAsS三斜结构的化合物)等。

上述方案中，所述高构型熵热电化合物可以为：

1)类金刚石结构高构型熵化合物：CuCdGaTeSeS、CuCdInTeSeS、CuZnGaTeSeS、CuZnInTeSeS、AgCdGaTeSeS、AgCdInTeSeS、AgZnGaTeSeS、AgZnInTeSeS等。

2)盐岩相结构高构型熵化合物：BiGeAgTeSeS、SbGeAgTeSeS、BiPbAgTeSeS、SbPbAgTeSeS、BiSnAgTeSeS、SbSnAgTeSeS等。

3)Half-Heusler化合物型高构型熵化合物：ZrTiCoNiSnSb、ZrHfCoNiSnSb、TiHfCoNiSnSb、ZrNbCoNiSnSb、Zr₂CoNiSnSb、ZrNbCo₂SnSb、ZrNbCoNiSn₂等。

4)类ZrCuSiAs层状四方结构高构型熵热电化合物：BiSbCuAgTeSeSO、LaNdMnFePAsSO等。

5)类CoSbS正交结构高构型熵热电化合物：CoNiSnSbTeS、CoNiBiSbSP等。

6)类FeAsS三斜结构高构型熵热电化合物：FeCoSiAsSeS、MnFeAsSeTeS等。

上述方案中，所述高构型熵热电化合物可以进一步掺杂微调成分，实现载流子浓度调控的目的；如CuCdInTe_1-xSb_xSeS(0＜x≤0.2)等。

上述一种高构型熵热电化合物的设计方法，包括如下步骤：在满足电中性前提下，对阴-阳离子基础化合物，同时在阴离子位和阳离子位填入多种电性相同的元素，并从中筛选出全部元素均能形成稳定单相的化合物，构建出阴离子位和阳离子位均为多主元的高构型熵材料。

上述方案中，所述全部元素均能形成稳定单相的化合物的筛选方法为：通过第一性原理计算全部元素形成的化合物、部分元素形成的化合物、固溶体、合金等组成或结构的ΔG(吉布斯自由能)，筛选出所有元素形成的化合物的吉布斯自由能低于部分元素形成的化合物、固溶体、合金等组成或结构吉布斯自由能的材料体系。

上述一种高构型熵热电化合物的制备方法，包括如下步骤：根据高构型熵热电化合物的化学计量式进行原料配料，然后采用平衡或非平衡制备技术合成目标产品。

上述方案中，所述平衡制备技术包括熔融法、固相反应法等；非平衡制备技术包括超快速急冷法、超快速加热燃烧合成法等。

根据上述方案，所设计与制备的高构型熵热电化合物能实现电热的协同输运，从而大幅度提高所得材料体系的热电性能；此外，所设计与制备的高构型熵热电化合物能有效抑制相变，提高材料的稳定性能。

以上述内容为基础，在不脱离本发明基本技术思想的前提下，根据本领域的普通技术知识和手段，对其内容还可以有多种形式的修改、替换或变更，均应属于本发明的保护范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明首次提出在简单热电半导体化合物的阴离子位及阳离子位同时填入主组元，以实现更高的构型熵，可进一步丰富高熵合金理论，提供更高熵化的新途径。

2)本发明使得在一个热电化合物中同时具备高能谷简并度和低晶格热导率，从而实现电热输运的协同调控，大幅度提高热电性能和热稳定性，属于热电化合物电热输运理论和热电性能及热稳定性优化方法领域的一项重要创新。

附图说明

图1为实施例1步骤4)所得产物的XRD图谱。

图2为实施例1步骤4)所得产物CuCdInTeSeS的背散射照片。

图3为实施例2步骤4)所得产物的XRD图谱。

图4为实施例2步骤4)所得不同产物的(I)热导率及(II)无量纲热电优值(ZT)随温度变化曲线。

图5为实施例3步骤3)所得产物的XRD图谱。

图6为实施例3步骤3)所得化合物BiPbAgTeSeS热导率及无量纲热电优值(ZT)随温度变化曲线。

图7为实施例3步骤3)所得化合物BiPbAgTeSeS在223～753K范围内的热流曲线。

图8为实施例4步骤3)所得产物的XRD图谱。

图9为实施例4步骤3)所得产物CuCdInTe_1-xSb_xSeS(x＝0.2)化合物(c)热导率及无量纲热电优值(ZT)随温度变化曲线。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，采用的所有金属及非金属原料均为市售产品，纯度均为4N。

实施例1

一种高构型熵热电化合物的设计方法，包括如下步骤：

1)以类金刚石结构基础化合物CdTe为研究对象，满足电中性前提下，即在阳离子位(Cd²⁺)拟填入Cu⁺和In³⁺或Ag⁺和In³⁺，阴离子位(Te^2-)拟填入Se^2-和S^2-；

2)对于Cu、Cd、In、Te、Se、S六种元素，第一性原理计算各物质的ΔG(吉布斯自由能)，包括全部元素形成的化合物CuCdInTeSeS，及部分元素形成化合物CuCdInTe₃、CuCdInSe₃、CuCdInS₃、CuInTe₂、CuInSe₂、CuInS₂、Cu₂Te、Cu₂Se、Cu₂S、CdTe、CdSe、CdS、In₄Te₃、In₄Se₃、In₄S₃、InTe、In₂Te₃、InSe、In₂Se₃、InS、In₂S₃等，部分元素形成固溶体(Cu₂Te)_1-x(CdSe)_x、(Cu₂Te)_1-x(CdS)_x、(Cu₂Te)_1-x(In₂Se₃)_x、(Cu₂Te)_1-x(In₂S₃)_x等，部分元素形成合金Cu_1-xCd_x、Cu_1-xIn_x、Cd_1-xIn_x等；对于Ag、Cd、In、Te、Se、S六种元素，第一性原理计算各物质的ΔG(吉布斯自由能)，包括全部元素形成的化合物AgCdInTeSeS，及部分元素形成化合物AgCdInTe₃、AgCdInSe₃、AgCdInS₃、AgInTe₂、AgInSe₂、AgInS₂、Ag₂Te、Ag₂Se、Ag₂S、CdTe、CdSe、CdS、In₄Te₃、In₄Se₃、In₄S₃、InTe、In₂Te₃、InSe、In₂Se₃、InS、In₂S₃等，部分元素形成固溶体(Ag₂Te)_1-x(CdSe)_x、(Ag₂Te)_1-x(CdS)_x、(Ag₂Te)_1-x(In₂Se₃)_x、(Ag₂Te)_1-x(In₂S₃)_x等，部分元素形成合金Ag_1-xCd_x、Ag_1-xIn_x、Cd_1-xIn_x等；

3)第一性原理计算发现，对于Cu、Cd、In、Te、Se、S六种元素，全部元素形成的化合物CuCdInTeSeS(a)的ΔG(吉布斯自由能)最低，因而理论上CuCdInTeSeS能形成高构型熵的单相化合物；对于Ag、Cd、In、Te、Se、S六种元素，全部元素形成的化合物AgCdInTeSeS(b)的ΔG(吉布斯自由能)并非最低，因而理论上AgCdInTeSeS难以形成高构型熵的单相化合物；

4)实验验证：以Cu片、Ag丝、Cd粒、In粒、Te块、Se块、S块为原料，按化学计量比CuCdInTeSeS及AgCdInTeSeS进行称量，每个组分所用原料共5g，依次编号为a、b。将原料真空密封于石英玻璃管中，然后将玻璃管放入高温熔融炉中，以3～5℃/min升温速率升温至1100℃，保温24h后饱和食盐水中淬火。

将步骤4)所得锭体研磨成粉，并进行XRD表征，如图1所示，对于Cu、Cd、In、Te、Se、S六种元素体系，终产物CuCdInTeSeS与基础化合物CdTe标准卡片的谱峰一一对应，并无多余谱线，表明“高熵化”后，材料仍然维持立方相。此外，从图2中CuCdInTeSeS的背散射照片可知，成分衬度均匀一致，表明材料为单相。而对于Ag、Cd、In、Te、Se、S六种元素体系，终产物为CdIn_0.666Se₂及Ag₂Te化合物构成的混合物。这与第一性原理计算结果保持一致，有效证明本发明所述高构型熵热电化合物设计方法的可行性。

实施例2

一类Half-Heusler化合物型的高构型熵热电化合物，化学计量式分别为ZrTiCoNiSnSb、ZrHfCoNiSnSb、TiHfCoNiSnSb、Zr₂CoNiSnSb、ZrNbCo₂SnSb、ZrNbCoNiSnSb，其制备方法包括如下步骤：

1)以Zr粉、Ti粉、Hf粉、Co粉、Ni粉、Nb粉、Sn粉及Sb粉为原料，分别按ZrTiCoNiSnSb、ZrHfCoNiSnSb、TiHfCoNiSnSb、Zr₂CoNiSnSb、ZrNbCo₂SnSb、ZrNbCoNiSnSb高构型熵热电化合物的化学计量比进行称量，每种化合物所用原料共5g，依次编号为a、b、c、d、e、f；

2)将每份原料分别置于玛瑙研钵混合均匀，得到的混合粉体作为反应物，将反应物放入钢制模具中，在压片机上分别采用6MPa的压力并保压5min制得Φ12mm锭体；

3)将所得锭体分别真空密封于石英玻璃管中，然后将玻璃管底端移向煤气焰点火，引燃反应后立即移开火焰，SHS过程在2s内完成，之后自然冷却；

4)将步骤3)所得产物装入Φ16mm的石墨模具中压实，然后将石墨模具放入等离子活化烧结(Plasma Activated Sintering，简称“PAS”)设备中，在10Pa以下的真空条件进行烧结，升温速率为80-150℃/min，烧结温度为1100℃，烧结压力为40MPa，保温时间为3min，烧结结束后随炉冷却至室温，即分别制得致密的块体材料(分别编号为a、b、c、d、e、f)。

图3为本实施例所得不同终产物(a、b、c、d、e、f)的XRD图谱，所得产物谱峰与基础Half-Heusler化合物ZrNiSn谱峰一一对应，并无多余谱线，表明其为单相立方结构，可见本发明设计的高熵化合物存在，而且采用自蔓延高温合成技术(非平衡技术)结合等离子体活化烧结技术可以在短时间内制备得到，简单、快速、适合规模化生产。

图4为本实施例所得不同产物的热导率及无量纲热电优值(ZT)随温度变化曲线，相比于传统Half-Heusler材料热导率高达10～15Wm^-1K^-1，本发明设计与制备的高构型熵Half-Heusler化合物有了极大的降低。本征样品的热电性能优越，对于TiHfCoNiSnSb(产物c)，在873K时，ZT高达0.38，表现出极大的进一步性能优化空间，极具热电应用潜力。

实施例3

一类盐岩相结构化合物型的高构型熵热电化合物，化学计量式分别为BiPbAgTeSeS、SbPbAgTeSeS、BiSnAgTeSeS，其制备方法包括如下步骤：

1)以Bi块、Sb块、Pb粒、Sn粒、Ag丝、Te块、Se块、S块为原料，分别按BiPbAgTeSeS、SbPbAgTeSeS、BiSnAgTeSeS高构型熵热电化合物的化学计量比进行称量，每种化合物所用原料总量共5g，依次编号为a、b、c；

2)将每份原料真空密封于石英玻璃管中，然后将玻璃管放入高温熔融炉中，以3～5℃/min升温速率升温至1100℃，保温24h后随炉冷却；

3)将步骤2)所得锭体研磨成粉，称取4.6g装入Φ16mm的石墨模具中压实，然后将石墨模具放入等离子活化烧结(PAS)设备中，在10Pa以下的真空条件进行烧结，升温速率为80-100℃/min，烧结温度为500℃，烧结压力为30MPa，保温时间为7min，烧结结束后随炉冷却至室温，即得到致密的块体材料。

图5为本实施例所得不同终产物(a、b、c)的XRD图谱，所得产物谱峰与基础盐岩相化合物PbTe谱线一一对应，表明其为单相，且为高对称的立方结构，可见本发明设计的高熵化合物存在，而且采用熔融法(平衡技术)结合等离子体活化烧结技术可以简单制备得到。

图6为化合物BiPbAgTeSeS(a)热导率及无量纲热电优值(ZT)随温度变化曲线，在300～700K温区范围内，热导率极低，0.5～0.63Wm^-1K^-1，在700K时，ZT高达0.58，表现出极大的进一步性能优化空间，极具热电应用潜力。

图7为化合物BiPbAgTeSeS(a)在223～753K范围内的热流曲线，整个温区并未发现有明显吸放热峰，表明在整个温区内就能稳定存在。相较于目前的三元盐岩相化合物，诸如AgSbTe₂、AgBiSe₂等，在300～773K范围内则出现2个以上相变，极其不稳定。说明本发明采用的“高熵化”设计理念可有效将相变抑制在223K以下，使得材料具有了新应用的可能。

实施例4

一种CuCdInTe_1-xSb_xSeS高构型熵热电化合物，其制备方法包括如下步骤：

1)以Cu片、Cd粒、In粒、Te块、Sb块、Se块、S块为原料，分别按CuCdInTe_1-xSb_xSeS(x分别取值为0、0.05或0.2)高构型熵热电化合物的化学计量比进行称量，每个组分所用原料共5g，依次编号为a、b、c；

2)将原料真空密封于石英玻璃管中，然后将玻璃管放入高温熔融炉中，以3～5℃/min升温速率升温至1100℃，保温24h后饱和食盐水中淬火；

3)将步骤2)所得锭体研磨成粉，称取4.3g装入Φ16mm的石墨模具中压实，然后将石墨模具放入等离子活化烧结(PAS)设备中，在10Pa以下的真空条件进行烧结，升温速率为80-100℃/min，烧结温度为700℃，烧结压力为30MPa，保温时间为5min，烧结结束后随炉冷却至室温，即得到致密的块体材料。

图8为本实施例所得终产物XRD图谱，所有化合物谱峰与基础类金刚石结构化合物CdTe谱峰一一对应，并未出现多余峰，表明其为单相，且为高对称的立方结构，可见本发明设计的高熵化合物存在，而且采用熔融淬火法(非平衡技术)结合等离子体活化烧结技术可以简单制备得到。

图9为CuCdInTe_1-xSb_xSeS(x＝0.2)化合物(c)热导率及无量纲热电优值(ZT)随温度变化曲线，在873K，热导率低至0.4Wm^-1K^-1，ZT高达0.42，表现出极大的进一步性能优化空间，极具热电应用潜力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高构型熵热电化合物，其特征在于，包括阴离子位元素和阳离子位元素，它为阴离子位和阳离子位均为多主元的高构型熵热电化合物。

2.根据权利要求1所述高构型熵热电化合物，其特征在于，它在满足电中性的前提下，通过对阴-阳离子基础化合物的阴离子位和阳离子位同时引入多种电性相同的元素，且全部元素均能形成稳定单相的化合物而成。

3.根据权利要求2所述高构型熵热电化合物，其特征在于，所述阴-阳离子基础化合物为类金刚石结构化合物、盐岩相结构化合物、Half-Heusler化合物、类ZrCuSiAs层状四方结构化合物、类CoSbS正交结构化合物或类FeAsS三斜结构化合物。

4.根据权利要求1所述高构型熵热电化合物，其特征在于，所述高构型熵热电化合物为类金刚石结构高构型熵热电化合物、盐岩相高构型熵热电化合物、Half-Heusler化合物型高构型熵热电化合物、类ZrCuSiAs层状四方结构高构型熵热电化合物、类CoSbS正交结构高构型熵热电化合物或类FeAsS三斜结构高构型熵热电化合物。

5.根据权利要求4所述高构型熵热电化合物，其特征在于，所述类金刚石结构高构型熵热电化合物为CuCdGaTeSeS、CuCdInTeSeS、CuZnGaTeSeS、CuZnInTeSeS、AgCdGaTeSeS、AgCdInTeSeS、AgZnGaTeSeS或AgZnInTeSeS；盐岩相高构型熵热电化合物为BiGeAgTeSeS、SbGeAgTeSeS、BiPbAgTeSeS、SbPbAgTeSeS、BiSnAgTeSeS或SbSnAgTeSeS；Half-Heusler化合物型高构型熵热电化合物为ZrTiCoNiSnSb、ZrHfCoNiSnSb、TiHfCoNiSnSb、ZrNbCoNiSnSb、Zr₂CoNiSnSb、ZrNbCo₂SnSb或ZrNbCoNiSn₂；类ZrCuSiAs层状四方结构高构型熵热电化合物为BiSbCuAgTeSeSO或LaNdMnFePAsSO；类CoSbS正交结构高构型熵热电化合物为CoNiSnSbTeS或CoNiBiSbSP；类FeAsS三斜结构高构型熵热电化合物为FeCoSiAsSeS或MnFeAsSeTeS。

6.根据权利要求5所述高构型熵热电化合物，其特征在于，所述高构型熵热电化合物包括对其进一步掺杂改性形成的化合物。

7.一种高构型熵热电化合物的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：在满足电中性前提下，对阴-阳离子基础化合物，同时在阴离子位和阳离子位填入多种电性相同的元素，并从中筛选出全部元素均能形成稳定单相的化合物；构建出阴离子位和阳离子位均为多主元的高构型熵材料。

8.一种高构型熵热电化合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：根据高构型熵热电化合物的化学计量式进行原料配料，然后采用平衡或非平衡制备技术合成目标产品。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述平衡制备技术为熔融法或固相反应法等；非平衡制备技术为超快速急冷法或超快速加热燃烧合成法。