CN114908412A - 一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，包括以下步骤：S1、将Sn、S两种高纯单质按比例进行称量；S2、将称量好的Sn、S两种单质装在石英管里，再将石英管抽至真空后，并用氢氧焰枪密封；S3、将密封后的石英管放在管式炉中进行热反应，反应结束后，得到Sn2S3大块体单晶；本发明采用的合成方法是以高纯Sn和S作为原料，通过在管式炉加热使其发生反应，反应结束后即可得到大块体单晶，合成方法简单，生产效率高，可以大批量制备大块体Sn2S3单晶；本发明制备得到的Sn2S3对环境友好，具有本征低热导率，是一种非常有前景的热电材料。

Description

一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法
技术领域
本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法。
背景技术
随着人口的增多和社会的发展，人类对化石能源的需求日益增加，使得环境与社会、资源与发展等一系列问题也日益突出，这些问题主要表现为：资源短缺、环境污染和生态破坏等方面。通过提高能源利用效率，加强对能源的二次回收利用，可以在一定程度上降低化石能源的消耗，缓解能源危机和环境污染。开发能够对工业废热、汽车尾气或其他环境热能等进行有效利用的新型能量转换材料，已经成为科学界以及各国政府重点关注的研究领域。热电材料作为一种清洁的新能源材料，在外加温场作用下，可使材料内部的载流子定向移动而实现热能和电能的相互转换，因其工作时无噪声、稳定性高且不排放温室气体等特点而受到人们广泛关注，也为应对全球能源与环境问题提供了一种有效的解决方案。
三硫化二锡(Sn2S3)是一种具有一维针状结构的本征P型半导体，属于正交晶系，Pnma空间群，晶胞参数为：
Figure BDA0003634332620000011
其中Sn具有混合价态，为+2与+4价。Sn2S3带隙大约为1.1eV，为窄带隙半导体，具有良好的电学特性。由于其特殊的一维结构和混合价态特性，导致其具有极低的本征热导率，常温下本征热导率约为0.55Wm-1K-1，450℃下本征热导率约为0.32Wm-1K-1；同时，它具有较大的泽贝克系数，常温下本征泽贝克系数约为610μVK-1，450℃下本征本征泽贝克系数约为650μVK-1。构成它的两种元素锡(Sn)与硫(S)在地壳中含量丰富且对环境友好。因此，Sn2S3是一种非常有前景的环境友好型热电材料。
目前没有大批量制备三硫化锡的合成方法，尤其是大块体Sn2S3单晶目前难以合成，因此亟需简单高效合成三硫化二锡热电材料的方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法。
本发明采用以下技术方案：
一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，包括以下步骤：
S1、将Sn、S两种高纯单质按比例进行称量；
S2、将称量好的Sn、S两种单质装在石英管里，再将石英管抽至真空后，并用氢氧焰枪密封；
S3、将密封后的石英管放在管式炉中进行热反应，反应结束后，得到Sn2S3大块体单晶。
优选地，步骤S1中所述Sn和S添加的摩尔比为2:3。
优选地，步骤S1中所述Sn的纯度为99.99％，所述S的纯度为99.999％。
优选地，步骤S2中所述石英管密封的真空度为10-2～10-3Pa。
优选地，步骤S3中所述石英管内Sn、S的热反应过程为：用24小时升温至950℃，然后在950℃下保温72小时，保温结束后，随管式炉缓慢降至室温，得到Sn2S3大块体单晶。
优选地，步骤S3中得到的Sn2S3大块体单晶的长度为8cm。
采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：
本发明采用的合成方法是以高纯Sn和S作为原料，通过在管式炉加热使其发生反应，反应结束后即可得到大块体单晶，合成方法简单，生产效率高，可以大批量制备大块体Sn2S3单晶；本发明制备得到的Sn2S3对环境友好，具有本征低热导率，是一种非常有前景的热电材料。
附图说明
图1为本发明实施例反应合成的示意图；
图2为本发明实施例反应合成的大块体Sn2S3单晶的实物图；
图3为本发明实施例反应合成的大块体Sn2S3单晶的XRD图；
图4为本发明实施例反应合成的大块体Sn2S3单晶研磨成粉末的多晶XRD图；
图5为本发明实施例反应合成的大块体Sn2S3单晶的本征热导率图；
图6为本发明实施例反应合成的大块体Sn2S3单晶的电导率图；
图7为本发明实施例反应合成的大块体Sn2S3单晶的泽贝克系数图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，包括以下步骤：
S1、准备原料Sn粒、S粒，Sn粒的纯度为99.99％(河北罗鸿科技有限公司生产)，S粒的纯度为99.999％(河北罗鸿科技有限公司生产)，将Sn、S两种高纯单质按摩尔比为2:3称量，总重量为10克；
S2、将称量好的Sn、S两种单质装在石英管里，再将装有原料的石英管抽至真空状态，真空度为10-2～10-3Pa，并用氢氧焰枪密封；
S3、将密封后的石英管放在管式炉中进行热反应，石英管在炉膛位置如图1所示，在管式炉中用24小时缓慢升温至950℃，然后在950℃下保温72小时，保温结束后，随管式炉缓慢降至室温，得到Sn2S3大块体单晶。所得Sn2S3大块体单晶的实物如图2所示。所得Sn2S3大块体单晶的XRD图如图3所示。所得Sn2S3大块体单晶研磨成粉末后的XRD图如图4所示。所得Sn2S3大块体单晶的本征热导率如图5所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将Sn、S两种高纯单质按比例进行称量；
S2、将称量好的Sn、S两种单质装在石英管里，再将石英管抽至真空后，并用氢氧焰枪密封；
S3、将密封后的石英管放在管式炉中进行热反应，反应结束后，得到Sn2S3大块体单晶。
2.如权利要求1所述的一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，其特征在于，步骤S1中所述Sn和S添加的摩尔比为2:3。
3.如权利要求1所述的一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，其特征在于，步骤S1中所述Sn的纯度为99.99％，所述S的纯度为99.999％。
4.如权利要求1所述的一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，其特征在于，步骤S2中所述石英管密封的真空度为10-2～10-3Pa。
5.如权利要求1所述的一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，其特征在于，步骤S3中所述石英管内Sn、S的热反应过程为：用24小时升温至950℃，然后在950℃下保温72小时，保温结束后，随管式炉缓慢降至室温，得到Sn2S3大块体单晶。
6.如权利要求1所述的一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，其特征在于，步骤S3中得到的Sn2S3大块体单晶的长度为8cm。
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