CN109509829A - 具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基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迁移率高性能的菱形碲化锗基热电材料及其制备方法，该热电材料的表达式用GeTe‑xCu₂Te‑yBiTe‑zPbTe合金表示(0＜x≤0.02，0＜y≤0.045，0＜z≤0.1)；制备方法是以金属单质为原料，按比例进行配料，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、缓慢降温后得到片状材料即为目标组分的新型碲化锗基热电材料。通过固溶少量碲化亚铜，在晶体结构和价带结构影响可忽略的情况下有效地降低了载流子浓度，揭示了菱形碲化锗是一种具有高迁移率高热电性能的材料(其热电优值zT在650K达到2.4，在300‑650K的平均zT达到1.2)，而且揭示了菱形碲化锗的轴间角可作为推进碲化锗热电工程的核心指导参数，为进一步研究发展低对称热电材料提供了一种新的方法。

Description

具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基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，尤其是涉及一种具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基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，基于塞贝克效应，能够直接将废热转化为电能，被认为是一种生态友好、可持续的能源危机有效解决方案。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＝S²T/ρκ，其中：T为绝对温度，S是塞贝克系数，ρ是电阻率，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。增加zT一直是大型热电技术应用的挑战。

由于塞贝克系数S、电阻率ρ、电子热导率κ_E之间通过载流子浓度表现出强烈的耦合关系，想要实现热电优值最大化，就需要优化载流子浓度，使得三种参数之间达到最优化。这使得优化载流子浓度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异价元素替换进行掺杂。然而由于热力学稳定性，本征碲化锗中由于Ge析出使其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。而对促进GeTe中Ge析出相的再溶解为调控载流子浓度提供了新的可能。

现有研究中，为调节碲化锗的载流子浓度，一般情况下都会引入大量杂质(如图4b所示)，高的杂质浓度对碲化锗的晶体结构，散射机制以及价带结构都产生很大的影响，无法有效地展现本征碲化锗的迁移率，热电性能等。

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迁移率高性能的菱形碲化锗基化合物热电材料及其制备方法。

本发明通过固溶少量的Cu₂Te促使GeTe中的Ge析出再溶解，有效地降低了GeTe中的Ge空位，使载流子浓度大幅度的降低。如此低的杂质浓度对晶体结构和价带结构的影响可以忽略，从而能够揭示接近最佳载流子浓度范围下本征碲化锗高迁移率的性能。进一步固溶BiTe、PbTe能够继续降低载流子浓度和晶格热导，得到具有高迁移率高性能的热电材料。

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迁移率高性能的菱形碲化锗基化合物热电材料，其组成表示为GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe，其中，0<x≤0.02，0<y≤0.045，0<z≤0.1。

进一步的，x＝0.015～0.02，x在这个范围材料具有较优的电性能；

y＝0.015～0.025，y在这个范围材料具有更加优化的电性能；

z＝0.06～0.08，z在这个范围材料具有较优的晶格热导。

更进一步的，x＝0.015，y＝0.02，z＝0.08，该组成的材料同时具有最优电学性能和最低晶格热导率，即该碲化锗基热电材料无量纲热电优值zT最高，平均zT最高。

本征碲化锗由于锗析出产生大量阳离子空位(～3％)，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碲化亚铜，能够有效地促进锗析出的再溶解，少量的碲化亚铜(1.5％-Cu₂Te)就能够将GeTe的载流子浓度由～10²¹cm^-3降到2×10²⁰cm^-3，如此低的杂质浓度对晶体结构和价带结构的影响可以忽略，从而能够揭示接近最佳载流子浓度范围下本征碲化锗高迁移率的性能。在继续固溶少量BiTe的情况下，能够在载流子浓度0.5～8×10²⁰cm^-3的范围下都能够得到接近碲化锗本征态的性能。通过进一步固溶PbTe，使晶格热导大幅度降低至～0.45W/m-K，开发了一种具有高迁移率高性能的即GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金(x＝0.015，y＝0.02，z＝0.08)热电材料，其热电优值在650K时达到了2.4，且在300-650K温度区间内的平均热电优值达到1.2，是一种具有大规模应用潜力的低温相碲化锗基新型热电材料。

本发明的目的之二在于还提供了上述具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基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、Cu、Bi、Pb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具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基化合物热电材料。

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8～10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10小时。

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550～600℃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570℃，并保温2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60～80MPa，并恒温恒压处理40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550℃，烧结所用压力为65MPa。

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，本发明通过固溶少量碲化亚铜，促进锗析出再溶解降低阳离子空位，使得碲化锗基材料载流子浓度大幅降低至2×10²⁰cm^-3。由于引入的杂质浓度极低，对本征碲化锗的晶体结构和价带结构影响可以忽略，从而能够揭示接近最佳载流子浓度范围下本征碲化锗高迁移率的性能。

(2)在固溶少量BiTe的情况下，能够在载流子浓度0.5～8×10²⁰cm^-3的范围下都能够得到接近碲化锗本征态的性能。通过进一步固溶PbTe，使晶格热导大幅度降低至～0.4W/m-K。这种在高迁移率和晶格热导降低的综合效应下，使其热电优值在650K时达到了2.4，且在300-650K温度区间内的平均热电优值达到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，热电优值峰值在800K时为0.8，平均热电优值约0.3)，本发明通过固溶碲化亚铜使得GeTe热电材料迁移率和热电性能获得大幅提升。

(3)本发明通过固溶碲化亚铜揭示了菱形碲化锗是一种具有高性能的热电材料，同时通过研究菱形碲化锗的轴间角和载流子有效质量(α-m*)，轴间角和载流子迁移率(α-μ_H)以及轴间角和功率因子(α-S²/ρ)之间的关系，揭示了菱形碲化锗的轴间角α可作为推进碲化锗热电工程进展的核心参数。

附图说明

图1为不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金的X射线衍射图谱；

图1包括图1-1、图1-2、图1-3；

图2-1为不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金的扫描电镜图；

图2-2为不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金的DFT计算的缺陷形成能图；

图3为不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金的扫描电镜图及能谱图；

图4为不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金室温下晶格常数(a)和菱形GeTe轴间角(α)、霍尔载流子浓度(n)与固溶成分的关系图；

图5为不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金(y＝0，z＝0)的塞贝克系数(S),电阻率(ρ),热导率(κ),晶格热导率(κ_L),热电优值zT与温度的关系图；

图6为不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金(x＝0.015，z＝0)的塞贝克系数(S),电阻率(ρ),热导率(κ),晶格热导率(κ_L),热电优值zT与温度的关系图；

图7为不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金(x＝0.015，y＝0.02，0<z<0.1)的塞贝克系数(S),电阻率(ρ),热导率(κ),晶格热导率(κ_L),热电优值zT与温度的关系图；

图8为不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金的Hall迁移率(μ_H)与温度的关系图；

图9为不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金的晶格热导率(κ_L)与温度的关系图；

图10为不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金的室温下的声速与固溶成分的关系图；

图11为不同成分的GeTe基热电材料的比热容与温度之间的关系图；

图12为不同成分的GeTe基热电材料的载流子有效质量(m*),Hall迁移率(μ_H),功率因子(S²/ρ)与菱形GeTe的轴间角以及塞贝克系数(S),Hall迁移率(μ_H),功率因子(S²/ρ)与载流子浓度之间的关系；

图13为不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金的热电优值与温度的关系。

图14为不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金的平均热电优值(300～650K)与固溶成分的关系图。

具体实施方式

一种具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基化合物热电材料，其组成表示为GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe，其中，0<x≤0.02，0<y≤0.045，0<z≤0.1。

在本发明的一种优选的实施方式中，x＝0.015～0.02，x在这个范围材料具有较优的电性能；y＝0.015～0.025，y在这个范围材料具有更加优化的电性能；z＝0.06～0.08，z在这个范围材料具有较优的晶格热导。

更进一步的，x＝0.015，y＝0.02，z＝0.08，该组成的材料同时具有最优电学性能和最低晶格热导率，即该碲化锗基热电材料无量纲热电优值zT最高，平均zT最高。

具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基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、Cu、Bi、Pb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具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基化合物热电材料。

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8～10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550～600℃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570℃，并保温2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60～80MPa，并恒温恒压处理40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550℃，烧结所用压力为65MPa。

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％。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

以下实施例中，晶格常数(a)，菱形GeTe轴间角(α)、霍尔载流子浓度(n)，塞贝克系数(S)，电阻率(ρ)，热导率(κ)，晶格热导率(κ_L)，热电优值zT，Hall迁移率(μ_H)，声速，比热容，载流子有效质量(m*)，Hall迁移率(μ_H)，功率因子(S²/ρ)，菱形GeTe的轴间角，塞贝克系数(S)，功率因子(S²/ρ)，载流子浓度等采用本领域常规测量方法即可测得。

实施例1

一种碲化物热电材料，其表示为GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金(0<x≤0.02，0<y≤0.045，0<z≤0.1)，其制备方法包括以下步骤：

(1)以纯度大于99.99％的单质元素Ge、Cu、Bi、Pb、Te按GeTe-x_Cu2Te-y_BiTe-z_PbTe合金中的比例进行配料，并真空封装在石英管中，其中0<x≤0.02，0<y≤0.045，0<z≤0.1；

(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8～10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8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550～600℃，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570℃，保温2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60～80MPa，并恒温40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GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金片状块体材料，即为所述的碲化锗基化合物热电材料；本实施例的该步骤选择以每分钟200℃的速率升温至550℃，调节压力为65MPa，并恒温40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。

GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金(0<x≤0.02，0<y≤0.045，0<z≤0.1)的X射线衍射图谱如图1所示，不同固溶成分没有杂质析出。

(GeTe)_1-x(Cu₂Te)_x(x＝0.001,x＝0.005,x＝0.01,x＝0.015)扫描电镜及能谱图片如图2所示。可见，随着x含量的增加,即碲化亚铜的固溶含量增加，锗析出相逐渐减少，同时根据图2的DFT计算缺陷形成能可定性得出固溶Cu₂Te能够促使Ge析出再溶解来降低载流子浓度。

GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金(x＝0.015,y＝0,z＝0；x＝0.015,y＝0.02,z＝0；x＝0.015,y＝0.02,z＝0.08)扫描电镜及能谱图片如图3所示。

不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金室温下晶格常数(a)和菱形GeTe轴间角(α)、霍尔载流子浓度(n)与固溶成分的关系如图4所示。图4a显示了该体系对菱形GeTe轴间角的影响较小；图4b显示通过固溶少量Cu₂Te促使Ge析出相再溶解能够有效地实现载流子浓度的大幅下降(从～8×10²⁰cm^-3下降至～2×10²⁰cm^-3)，达到了优化载流子浓度范围内。

不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金(0<x≤0.02，0<y≤0.045，0<z≤0.1)的塞贝克系数(S),电阻率(ρ),热导率(κ),晶格热导率(κ_L),热电优值zT与温度的关系如图5，6，7所示。在固溶Cu₂Te、BiTe优化载流子浓度(～0.5×10²⁰-～8×10²⁰cm^-3)，固溶PbTe降低晶格热导(～0.45W/m-K)的协同作用下得到了高性能的菱形GeTe热电材料，在650K时热电优值zT达到2.4。

不同成分的GeTe基热电材料载流子有效质量(m*),Hall迁移率(μ_H),功率因子(S²/ρ)与菱形GeTe的轴间角以及塞贝克系数(S),Hall迁移率(μ_H),功率因子(S²/ρ)与载流子浓度之间的关系如图12所示。本发明引入较少的杂志浓度，对碲化锗的晶体结构和价带结构影响可以忽略，具有较小的有效质量。同时研究表明在最优载流子范围内(0.5～2×10²⁰cm^-3)本发明获得了高的迁移率和功率因子，这是在以往工作中从未出现的，主要是因为较低的杂质引入(≤3.5％)对材料的散射机制以及价带结构影响较小。揭示了碲化锗天生丽质，具有高迁移率高热电性能的同时也表明碲化锗轴间角(α)是表征低对称热电材料电性能的一个新方向。图13为不同成分的GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe合金的热电优值zT与温度的关系图，图14为平均热电优值zT。从图中可以看出，菱形GeTe基热电材料650K时zT达到2.4、平均zT高达1.2，此外，与未引入杂质的纯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500℃，调节压力为70MPa，并恒温40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80MPa，并恒温40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)

1.一种具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基化合物热电材料，其特征在于，其组成表示为GeTe-xCu₂Te-yBiTe-zPbTe，其中，0＜x≤0.02，0＜y≤0.045，0＜z≤0.1。

2.根据权利要求1所述的一种具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基化合物热电材料，其特征在于，x＝0.015～0.02，y＝0.015～0.025，z＝0.06～0.08。

3.根据权利要求2所述的一种具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基化合物热电材料，其特征在于，x＝0.015，y＝0.02，z＝0.08。

4.如权利要求1-3中任一项所述的一种具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基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、Cu、Bi、Pb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，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，真空热压烧结，随后降温，得到的片状块体材料即为具有高迁移率高性能的菱形碲化锗基化合物热电材料。

5.根据权利要求4所述的一种具有高性能高迁移率的新型菱形碲化锗基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8～10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所述的一种具有高性能高迁移率的新型菱形碲化锗基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10小时。

7.根据权利要求4所述的一种具有高性能高迁移率的新型菱形碲化锗基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550～600℃并保温2～4天。

8.根据权利要求7所述的一种具有高性能高迁移率的新型菱形碲化锗基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570℃，并保温2天，进行退火。

9.根据权利要求4所述的一种具有高性能高迁移率的新型菱形碲化锗基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60～80MPa，并恒温恒压处理，进行真空热压烧结。

10.根据权利要求9所述的一种具有高性能高迁移率的新型菱形碲化锗基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550℃，烧结所用压力为65MPa。