CN108735888A - 具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料及其制备方法，所述热电材料的化学式为Ge_1‑xSb_2x/3Te，0<x≤0.14；其以高纯单质为原料，按上述化学式中的化学计量比配料，通过真空封装、高温熔融、退火热处理后，研磨成粉末，进行真空热压烧结、缓慢降温后得到。与现有技术相比，通过引入阳离子空位，实现载流子浓度和晶格热导率的同时调控，这种简单可控的技术可广泛的应用于各种热电材料，尤其是具有大量本征缺陷的材料，为提升热电性能提供了一类新的方法。

Description

具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料及其制备方法

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，涉及一种具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料及其制备方法。

背景技术

热电半导体材料，作为一种零排放、无转动部件的新型能源材料，能够实现废热与电能之间的之间转换，被认为是改善日益严重的能源危机的一种有效解决方案。而限制热电半导体材料大规模应用的瓶颈是其相对较低的转换效率，通常可以用无量纲热电优值zT来衡量，zT＝S²σT/κ，其中：T为绝对温度，S是塞贝克系数，σ是电导率，κ是热导率，由电子热导率κ_E和晶格热导率κ_L两部分组成。

由于塞贝克系数S、电导率σ、电子热导率κ_E之间存在着强烈的耦合关系，此消彼长，这使得通过简单的优化某一参数以实现高的热电性能变得十分困难。S、σ和κ_E之间的强烈耦合最主要是通过载流子浓度表现。高载流子浓度会导致高的电导率和高的电子热导率，但同时会导致低的塞贝克系数。但这种耦合总是可以通过调控载流子浓度至一个最佳值，来使得热电优值实现最大化。这使得载流子浓度优化成为了提升热电性能最常用也是最有效的一种方法。电性能最优时所需要的载流子浓度具有温度和能带结构依赖性，常用的调控载流子浓度的方法是通过元素替换进行掺杂。然而由于热力学稳定性，本征碲化锗与生俱来存在大量阳离子空位，导致空穴载流子浓度很高，因此通过化学掺杂使载流子浓度实现大范围的跨越从而确定碲化锗材料的优化载流子浓度区间相对困难。而其本身的空位缺陷却为调控其载流子浓度提供了新的可能性。

中国专利ZL200610053779.9公开了一种非晶/纳米晶复合热电材料及其制备方法，其在表达式为Ge20SbxTe80-x的非晶基体中分布着大小在5-20nm的GeTe和Te的纳米晶颗粒，式中0≤x≤5。该专利通过在非晶基体中原位生成纳米晶进而改进热电材料的热电性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料及其制备方法，通过引入阳离子空位，调控空位浓度控制锗析出相含量，使得载流子浓度及晶格热导率同时降低，热电性能获得优化。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的目的之一在于提供一种具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料，其化学式为Ge_1-xSb_2x/3Te，其中，0<x≤0.14。

进一步的，x＝0.08～0.14，该范围内浓度载流子浓度相对较优。

更进一步的，x＝0.1～0.12，在优化载流子浓度的同时，能够获得较低的晶格热导率，平均热电优值最高。

本征碲化锗具有大量阳离子空位，使得大量的锗析出，从而导致其空穴载流子浓度过高(～10²¹cm-3)，这是限制其热电性能的主要原因之一。空位是一种热力学平衡的点缺陷，对于某温度下的给定材料体系中，空位平衡浓度是固定的。本发明通过在碲化锗中固溶阴阳离子更小的三碲化二锑，引入阳离子空位，过高浓度的阳离子空位使得材料在热力学上不稳定，驱使锗析出重新溶入。由于引入的三碲化二锑价态平衡不提供载流子，重新溶入的锗使得原本提供载流子的空位减少，在该锗锑碲化合物中实现载流子浓度的降低。同时由于大量空位导致的点缺陷散射增强，使得其晶格热导率大幅降低至～0.5W/m-K，开发了一种具有高性能的Ge_1-xSb_2x/3Te(0<x≤0.14)新型热电材料，其热电优值在800K时达到了1.8，且在300-800K温区范围内平均热电优值达到1.2，是一种具有大规模应用潜力的新型热电材料。

本发明的目的之二在于还提供了上述具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)真空封装：

按化学计量比称取单质原料Ge、Sb和Te，装入石英管中并真空封装；

(2)熔融淬火：

将装有单质原料的石英管放入井式炉中加热，使原料在熔融状态下进行充分反应，淬火，得到第一铸锭；

(3)退火淬火：

将(2)中所得第一铸锭重新真空封装在石英管中，放入井式炉中加热，高温退火，随后淬火，得到第二铸锭；

(4)热压烧结：

将(3)中获得的第二铸锭研磨成粉末，放置于石墨模具中，真空热压烧结，随后降温，得到的片状块体材料即为所述目标产物。

进一步的，步骤(2)中加热的工艺条件为：以每小时150～200℃的速率将石英管从室温升温至900～1000℃并保温6～8小时，使原料在熔融状态下得到充分的反应。

更进一步的，步骤(2)中加热的工艺条件为将石英管以每小时200℃从室温升温至950℃并保温。

进一步的，步骤(3)中退火的工艺条件为：以每小时150～200℃的速率将石英管从室温升温至575～625℃并保温2～4天。

更进一步的，步骤(3)中退火的工艺条件为：将石英管以每小时200℃从室温升温至600℃，并保温3天，进行退火。

进一步的，步骤(4)中热压烧结的工艺条件为：利用感应加热，以每分钟100～300℃的速率升温至550～600℃，调节压力为70～100MPa，并恒温恒压处理50分钟，进行真空热压烧结。

更进一步的，步骤(4)中，烧结的温度为575℃，烧结所用压力为80MPa。

进一步的，步骤(1)、步骤(3)及步骤(4)中所述的真空的绝对真空度均不大于10^{- 1}Pa。

进一步的，单质原料的纯度均大于99.99％。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)与传统通过异价原子掺杂来调控载流子浓度不同，本发明通过人为引入空位的手段，通过热力学平衡条件驱使，使得碲化锗基体材料载流子浓度大幅降低至优化水平。

(2)在载流子浓度降低的同时，由于人为引入的大量空位，其对于声子散射的增强效果明显，使得晶格热导率也获得大幅下降(至～0.5W/m-K)。这种载流子浓度降低及晶格热导率降低的综合效应使得其热电优值在800K时达到1.8，且在300-800K温区范围内平均热电优值高达1.2。可见，相比于常规的纯GeTe热电材料(纯GeTe的晶格热导率为2.5W/m-K，热电优值峰值为0.8，平均热电优值约0.3)，本发明通过引入Sb₂Te₃使得GeTe热电材料性能获得大幅提升。

(3)本发明提出的空位工程方法简单，使用的掺杂剂简单，有利于材料稳定性，可以实现对载流子浓度及晶格热导率的精细调控。该调控方法对开发新型高性能热电材料具有指导意义。

附图说明

图1为不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te的X射线衍射图谱；

图2为不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te的扫描电镜图片及能谱图；

图3为不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te室温下霍尔载流子浓度与掺杂成分的关系图；

图4为不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te的红外光吸收图谱；

图5为不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te室温下塞贝克系数(S)与霍尔载流子浓度的关系图；

图6为不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te的塞贝克系数(S)与温度的关系图；

图7为不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te的电阻率(ρ)与温度的关系图；

图8为不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te的总热导率(κ)与温度的关系图；

图9为不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te的晶格热导率(κ_L)与温度的关系图；

图10为不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te的热电优值与温度的关系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料，其化学式为Ge_1-xSb_2x/3Te，其中，0<x≤0.14。

在本发明的一种优选的实施方式中，x＝0.08～0.14，该范围内浓度载流子浓度相对较优。更进一步的，x＝0.1～0.12，在优化载流子浓度的同时，能够获得较低的晶格热导率，平均热电优值最高。

具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)真空封装：

按化学计量比称取单质原料Ge、Sb和Te，装入石英管中并真空封装；

(2)熔融淬火：

将装有单质原料的石英管放入井式炉中加热，使原料在熔融状态下进行充分反应，淬火，得到第一铸锭；

(3)退火淬火：

将(2)中所得第一铸锭重新真空封装在石英管中，放入井式炉中加热，高温退火，随后淬火，得到第二铸锭；

(4)热压烧结：

将(3)中获得的第二铸锭研磨成粉末，放置于石墨模具中，真空热压烧结，随后降温，得到的片状块体材料即为所述目标产物。

在本发明的一种优选的实施方式中，步骤(2)中加热的工艺条件为：以每小时150～200℃的速率将石英管从室温升温至900～1000℃并保温6～8小时，使原料在熔融状态下得到充分的反应。更进一步的，步骤(2)中加热的工艺条件为将石英管以每小时200℃从室温升温至950℃并保温。

在本发明的一种优选的实施方式中，步骤(3)中退火的工艺条件为：以每小时150～200℃的速率将石英管从室温升温至575～625℃并保温2～4天。

更进一步的，步骤(3)中退火的工艺条件为：将石英管以每小时200℃从室温升温至600℃，并保温3天，进行退火。

在本发明的一种优选的实施方式中，步骤(4)中热压烧结的工艺条件为：利用感应加热，以每分钟100～300℃的速率升温至550～600℃，调节压力为70～100MPa，并恒温恒压处理50分钟，进行真空热压烧结。

更进一步的，步骤(4)中，烧结的温度为575℃，烧结所用压力为80MPa。

在本发明的一种优选的实施方式中，步骤(1)、步骤(3)及步骤(4)中所述的真空的绝对真空度均不大于10^-1Pa。

在本发明的一种优选的实施方式中，单质原料的纯度均大于99.99％。

实施例1

一种银碲化物热电材料，其化学式为Ge_1-xSb_2x/3Te，x＝-0.02～0.14，本实施例中通过取x＝0.02、0.04、0.06、0.08、0.09、0.1、0.12以及0.14(当x＝0时，化学式为GeTe，当x＝0.02、0.04、0.06、0.08、0.09、0.1、0.12以及0.14时，即通过改变不同浓度的Sb以及空位来优化载流子浓度)，按照下述制备方法，载流子浓度的Ge_1-xSb_2x/3Te块状材料：

(1)根据取不同x值，按化学式为Ge_1-xSb_2x/3Te(x＝-0.02～0.14)的化学计量比称量纯度大于99.99％的单质原料锗Ge、锑Sb、碲Te，将原料放置于石英管中，并在真空下封装石英管。

(2)将放置原料的石英管悬挂于高温井式炉中，以每小时150～200℃的速率缓慢升温至900～1000℃，并保温6～8小时，之后快速淬火冷却得到第一铸锭；本实施例的该步骤选择以每小时200℃的速率缓慢升温至950℃，并在950℃下保温7小时。

(3)对步骤(2)得到的高温熔融淬火后的第一铸锭进行热处理，以每小时150～200℃的速率缓慢升温至575～625℃，保温2～4天，之后快速淬火冷却得到第二铸锭；本实施例的该步骤选择以每小时200℃的速率缓慢升温至600℃，保温3天。

(4)将步骤(3)所得到的第二铸锭研磨成粉末，将粉末置于石墨模具中，利用感应加热，以每分钟100～300℃的速率升温至550～600℃，调节压力为70～100MPa，并恒温50分钟，进行真空高温热压烧结，然后以20～30K/min的速率缓慢冷却至室温，即可得到Ge_{1- x}Sb_2x/3Te片状块体材料，即为所述的锗锑碲化合物热电材料；本实施例的该步骤选择以每分钟200℃的速率升温至575℃，调节压力为80MPa，并恒温50分钟，进行真空高温热压烧结，然后以25K/min的速率缓慢冷却至室温。

Ge_1-xSb_2x/3Te(x＝0.02、0.04、0.06、0.08、0.09、0.1、0.12、0.14)的X射线衍射图谱如图1所示。通过固溶阴阳离子比小于1的Sb₂Te₃人为引入阳离子空位并没有导致Sb或Sb₂Te₃的杂质相析出。

Ge_1-xSb_2x/3Te(x＝0.02、0.06、0.08、0.14)扫描电镜及能谱图片如图2所示。可见，随着x含量的增加，即人为引入空位浓度的增加，锗析出相逐渐减少，直至x＝0.14时基本消失。这定性的证明了通过人为引入阳离子空位，由热力学平衡条件可以驱使锗析出重新融入基体中来降低载流子浓度。

不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te室温下霍尔载流子浓度与掺杂成分的关系如图3所示。通过固溶阴阳离子比小于1的Sb₂Te₃人为引入阳离子空位，Ge_1-xSb_2x/3Te的载流子浓度实现了大幅下降(从～8×10²⁰cm^-3下降至～2×10²⁰cm^-3)，达到了优化载流子浓度范围内。图4为不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te的红外光吸收图谱，吸收峰位置的左偏也反应了载流子浓度的逐渐降低。

不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te室温下塞贝克系数(S)与霍尔载流子浓度的关系(Pisarenko)如图5所示。所有样品都与双带模型的Pisarenko曲线符合较好，说明该人为引入阳离子空位的手段对材料的能带影响非常微弱。

不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te的热电性能随温度的关系如图6(塞贝克系数)、图7(电阻率)、图8(总热导率)所示。所有样品的塞贝克系数和电阻率随着温度升高而升高，说明所有样品属于强简并半导体。由于人为引入阳离子空位驱使载流子浓度降低，随着x的增加，材料的塞贝克系数和电阻率逐渐升高，总热导率下降。当x达到0.1至0.14时，获得最优化。图9为Ge_1-xSb_2x/3Te晶格热导率随着温度变化关系图。可以看出，当x>0.06时，晶格热导率相较于本征碲化锗有大幅度下降(最低至0.5W/m-K)，说明空位对于降低晶格热导率非常有效。

图10为不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te的热电优值与温度的关系图，从图中可以看出，上述不同成分的Ge_1-xSb_2x/3Te热电材料800K时达到1.8、平均热电优值高达1.2，此外，相比于未引入三碲化二锑的纯GeTe热电材料相比，热电优值大大提高。

实施例2

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例步骤(2)中选择以每小时150℃的速率缓慢升温至900℃，并保温8小时。

实施例3

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例步骤(2)中选择以每小时180℃的速率缓慢升温至1000℃，并保温6小时。

实施例4

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例步骤(3)中选择以每小时150℃的速率缓慢升温至575℃，保温4天。

实施例5

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例步骤(3)中选择以每小时180℃的速率缓慢升温至625℃，保温2天。

实施例6

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例步骤(4)中选择以每分钟100℃的速率升温至550℃，调节压力为70MPa，并恒温50分钟，进行真空高温热压烧结，然后以20K/min的速率缓慢冷却至室温。

实施例7

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例步骤(4)中选择以每分钟300℃的速率升温至600℃，调节压力为100MPa，并恒温50分钟，进行真空高温热压烧结，然后以30K/min的速率缓慢冷却至室温。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料，其特征在于，其化学式为Ge_{1- x}Sb_2x/3Te，其中，0<x≤0.14。

2.根据权利要求1所述的一种具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料，其特征在于，x＝0.08～0.14。

3.根据权利要求2所述的一种具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料，其特征在于，x＝0.1～0.12。

4.如权利要求1-3任一所述的具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)真空封装：

按化学计量比称取单质原料Ge、Sb和Te，装入石英管中并真空封装；

(2)熔融淬火：

将装有单质原料的石英管放入井式炉中加热，使原料在熔融状态下进行充分反应，淬火，得到第一铸锭；

(3)退火淬火：

将(2)中所得第一铸锭重新真空封装在石英管中，放入井式炉中加热，高温退火，随后淬火，得到第二铸锭；

(4)热压烧结：

将(3)中获得的第二铸锭研磨成粉末，放置于石墨模具中，真空热压烧结，随后降温，得到的片状块体材料即为所述目标产物。

5.根据权利要求4所述的一种具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中加热的工艺条件为：以每小时150～200℃的速率将石英管从室温升温至900～1000℃并保温6～8小时，使原料在熔融状态下得到充分的反应。

6.根据权利要求5所述的一种具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中加热的工艺条件为将石英管以每小时200℃从室温升温至950℃并保温。

7.根据权利要求4所述的一种具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中退火的工艺条件为：以每小时150～200℃的速率将石英管从室温升温至575～625℃并保温2～4天。

8.根据权利要求7所述的一种具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中退火的工艺条件为：将石英管以每小时200℃从室温升温至600℃，并保温3天，进行退火。

9.根据权利要求4所述的一种具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中热压烧结的工艺条件为：利用感应加热，以每分钟100～300℃的速率升温至550～600℃，调节压力为70～100MPa，并恒温恒压处理50分钟，进行真空热压烧结。

10.根据权利要求9所述的一种具有高浓度空位的新型锗锑碲化合物热电材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，烧结的温度为575℃，烧结所用压力为80MPa。