RU2765275C1 - Способ получения термоэлектрического материала на основе теллурида висмута - Google Patents

Способ получения термоэлектрического материала на основе теллурида висмута Download PDF

Info

Publication number
RU2765275C1
RU2765275C1 RU2021122793A RU2021122793A RU2765275C1 RU 2765275 C1 RU2765275 C1 RU 2765275C1 RU 2021122793 A RU2021122793 A RU 2021122793A RU 2021122793 A RU2021122793 A RU 2021122793A RU 2765275 C1 RU2765275 C1 RU 2765275C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
temperature
solution
ethylene glycol
powder
thermoelectric
Prior art date
Application number
RU2021122793A
Other languages
English (en)
Inventor
Алексей Евгеньевич Васильев
Олег Николаевич Иванов
Максим Николаевич Япрынцев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ") filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет" (НИУ "БелГУ")
Priority to RU2021122793A priority Critical patent/RU2765275C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2765275C1 publication Critical patent/RU2765275C1/ru

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01Manufacture or treatment
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/851Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/852Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising tellurium, selenium or sulfur

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технологии получения полупроводникового низкотемпературного термоэлектрического материала электронного типа проводимости и может быть использовано при создании высокоэффективных термоэлектрических генераторных и охлаждающих модулей. Сущность: способ характеризуется тем, что легирование индием материала Bi2Te2,7Se0,3 осуществляют на стадии сольвотермально-микроволнового синтеза. Для этого смешивают раствор окиси висмута Bi2O3 в этиленгликоле, содержащем KOH в соотношении 1 г щелочи на 16 мл этиленгликоля, с раствором, полученным путем растворения оксида теллура и гидроселенита натрия в этиленгликоле, содержащем щелочь из расчета 1 г КОН на 80 мл этиленгликоля, при температуре раствора 80-100°С. Затем в полученную смесь добавляют нитрат индия в стехиометрическом соотношении в соответствии с формулой Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х = 0,01, или 0,04, или 0,05, и выдерживают при температуре 90°С в течение 1 ч до получения прозрачного, желтоватого раствора, который затем подвергают сольвотермально-микроволновому синтезу в течение 5 мин при температуре 185°С. Остужают суспензию порошка Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х = 0,01, или 0,04, или 0,05, естественным образом до комнатной температуры. Затем порошок отделяют центрифугированием, промывают 3 раза изопропиловым спиртом, 1 раз ацетоном. Высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 100°С в течение часа и компактируют в графитовой пресс-форме искровым плазменным спеканием при температуре 400°С и давлении 40 МПа в течение 2 мин. 3 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к технологии получения полупроводникового низкотемпературного термоэлектрического материала электронного типа проводимости и может быть использовано при создании высокоэффективных термоэлектрических генераторных и охлаждающих модулей.
Термоэлектрические материалы осуществляют прямое преобразование тепловой энергии в электрическую энергию. Эффективность такого преобразования характеризуется термоэлектрической добротностью, которая является безразмерной величиной и определяется как ZT = (S2/ρk)T, где T, S, ρ и k есть абсолютная температура, коэффициент Зеебека, удельное электрическое сопротивление и полная теплопроводность, включающая вклад кристаллической решетки и вклад свободных носителей заряда, соответственно. Оптимальное сочетание этих величин достигается в полупроводниковых материалах. В настоящее время теллурид висмута Bi2Te3 и сплавы, основанные на Bi2Te3, являются лучшими полупроводниковыми материалами для низкотемпературных термоэлектрических применений. К сожалению, термоэлектрическая добротность этих материалов очень мала (ZT ≈ 1), что препятствует их широкому применению. Легирование различными элементами является одним из самых эффективных и часто используемых способов для улучшения термоэлектрической эффективности Bi2Te3 [1-6]. [1] X.K. Duan, K.G. Hu, D.H. Ma, W.N. Zhang, Y.Z Jiang, S.C. Guo, Rare Met. 34 (2015) 770-775.[2] P. Srivastava, K. Singh, Mater. Let. 136 (2014) 337-340. [3] B. Jarivala, D. Shah, N.M. Ravindra, J. Electro. Mater. 44 (2015) 1509-1516. [4] Y. Pan, T.R. Wei, C.F. Wu, J.F. Li, J. Mater. Chem. C. 3 (2015) 10583-10589.[5] L. Hu, T. Zhu, X. Liu, X. Zhao, Adv. Funct. Mater. 24 (2014) 5211-5218.[6] J. Suh, K. M. Yu, D. Fu, X. Liu, F. Yang, J. Fan, D. J. Smith, Y.H. Zhang, J.K. Furdyna, C. Dames, W. Walukiewicz, J. Wu, Adv. Mater. 27 (2015) 3681-3686.
Во многих случаях именно легирование позволяет достигнуть оптимального сочетания S, ρ и k и, таким образом, максимизировать величину ZT. Механизмы такой оптимизации реализуются через увеличение электропроводности в случае использования электрически активной донорной или акцепторной примеси, увеличение коэффициента Зеебека через увеличение фактора рассеяния или эффективной массы плотности состояния, уменьшение теплопроводности через создание дефектной структуры, а также из-за различия в атомных массах примесных атомов и атомов основного вещества.
Одним из эффективных допантов в структуре теллурида висмута является индий In, являющийся эффективной донорной добавкой для теллурида висмута электронного типа проводимости.
Среди методов получения порошковых термоэлектрических материалов можно выделить два направления:
1) Получение порошкообразных материалов методами мягкой химии путем химического восстановления из раствора солей прекурсоров или сольвотермально / сольвотермально-микроволновым синтезом;
2) Получение порошкообразных материалов методом твердофазных реакций: механохимический синтез или сплавление элементарных веществ в вакуумированой кварцевой ампуле.
Среди наиболее зарекомендовавших себя методов компактирования термоэлектрических материалов, полученным по указанным выше способам, известны: горячая экструзия, горячее прессование, искровое плазменное спекание.
Сольвотермально-микроволновой синтез известен в литературе как перспективный метод быстрого получения теллуридов различных металлов [O. Palchik, R. Kerner, A. Gedanken, V. Palchik, M.A. Slifkin, A.M. Weiss A general method for preparing tellurides: synthesis of PbTe, Ni2Te3 and Cu7Te5 from solutions under microwave radiation // Glass Physics and Chemistry – 2005 – Vol. 31, N 1. – P – 80-85. Использование микроволнового воздействия позволяет значительно сократить время синтеза порошка до~5-15 мин, по сравнению с аналогичными сольвотермальными процессами и процессами протекающими без создания давления.
Известен метод сольвотермального синтеза порошка на основе Bi2Te3, легированного лютецием и селеном, с последующим компактированием искровым плазменным спеканием [Ruijuan Cao, Hongzhang Song, Wenxian Gao, Erying Li, Xinjian Li, Xing Hu Thermoelectric properties of Lu-doped n-type LuxBi 2-xTe2.7 Se0.3 alloys // – 2017 – Vol. 727 – P. 326-331]. Такие технологические операции по словам исследователей позволяют получить материал с высоким коэффициентом термоэлектрической добротности ZT~ 1,37. Однако, в данной статье приведены измерения без учета возможной анизотропии данного материала, так как известно, что материалы на основе теллурида висмута склонны к текстурированию. Также в данной статье авторы используют в качестве восстанавливающего агента боргидрид натрия, который разлагается с выделением водорода, являющегося агрессивным восстановителем и также может привести к неконтролируемому загрязнению материала бором.
Известны материалы на основе поликристаллического теллурида висмута, легированные индием, полученные методом одновременного воздействия высокого давления и высокой температуры [Xin Guo, Jieming Qin, Xiaoling Lv, Le Deng, Xiaopeng Jia, Hogan Ma, Hongsheng Jia. Effect of doped indium into Bi2Te3 matrix on the microstructure and thermoelectric transport properties // RSC Advances – 2016 – Vol. 6. – P – 60736-60740.]. Предварительно составленная шихта заданного состава, одновременно синтезируется и компактируется при температуре 900 К и давлении 2 ГПа в графитовой прессформе. Такой способ позволяет достичь термоэлектрической эффективности ZT=0,65 при 385 К
Недостатком данного способа является отклонение от стехиометрического состава в процессе гомогенизации шихты механическим способом, т.к. авторы указывают на наличие примесной фазы теллурида индия, а также использование дорогостоящего сложного оборудования для создания объемного материала.
В научной статье [Xiangyun Bai, Muwei Ji, Meng Xu, Ning Su, Jiatao Zhang,
Jin Wang, Caizhen Zhu, Youwei Yao and Bo Li. Synthesis of M-doped (M = Ag, Cu, In) Bi2Te3 nanoplates via a solvothermal method and cation exchange reaction // Inorg. Chem. Front. – 2019 – Vol. 6. – P – 1097-1102] описан способ легирования теллурида висмута индием в ходе катионообменного процесса. Данный способ предполагает сольвотермальный метод синтеза порошка теллурида висмута и в дальнейшем проведение реакции катионного обмена с целью легирования предварительно полученной матрицы. Плюсом данного метода является возможность получать качественные порошкообразные материалы на основе теллурида легированные необходимыми добавками. Среди недостатков необходимо отметить наличие дорогих растворителей для осуществления процесса катионного обмена: додекантиол, олеиламин, октадецен, вероятная сложность процесса масштабирования и отсутствие данных по термоэлектрической эффективности объемных материалов из порошков, полученных данным методом.
Известен способ получения соединения на основе теллурида висмута (Bi 1-x Inx)Te 2,7 Se 0,3, где х = 0 или 0,02 или 0,04, описанный в научной статье [Ganesh Shridhar Hegde, A.N.Prabhu, Ashok Rao, D.Babu Enhancement of thermoelectric performance of In doped Bi2Te2.7Se0.3 compounds Physica B: Condensed Matter, 584, 1, 412087 (2020)]. Способ получения этого соединения осуществляют через синтез материала твердофазным методом из компактированной шихты в кварцевой вакуумированной трубке при 420°С в течение 24 часов, затем измельчают материал, осуществляют холодное компактирование и отжиг при 200°С в вакууме в течение 12 часов.
Недостатком данного способа является риск отклонения состава от стехиометрии за счет механического перемешивания в ходе гомогенизации шихты, низкая механическая прочность вследствие низкой плотности материала.
Техническая задача изобретения расширение арсенала способов получения термоэлектрических материалов с повышенной термоэлектрической добротностью на основе твердого раствора Bi2Te2,7Se0,3.
Техническим результатом изобретения создание способа получения материала Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,01 или 0,04 или 0,05, с повышенной на 5-10% термоэлектрической добротностью по сравнению с твердым раствором Bi2Te2,7Se0,3, а также небольшое время синтеза как на этапе получения порошка, так и на этапе компактирования объемной заготовки.
Технический результат достигается тем, что легирование индием осуществляется в процессе сольвотермального-микроволнового синтеза порошка Bi2-xInxTe2,7Se0,3 где х равно 0,01 или 0,04 или 0,05, далее частицы полученного порошка в виде тонких гексагональных пластинок (Фиг.1) компактируют в течении 5 минут искровым плазменным спеканием, что позволяет частично восстанавить анизотропию свойств монокристаллических материалов на основе теллурида висмута. Небольшое время процесса компактирования в ходе искрового плазменного спекания ограничивает рост зерна, что способствует сохранению микроструктуры исходного порошка и позволяет эффективнее рассеивать фононы, что обеспечивает относительно низкую теплопроводность изготавливаемого материала, а следовательно, повышает термоэлектрическую добротность полученного материала Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,01 или 0,04 или 0,05.
Данное изобретение характеризуется следующими фигурами.
Фигура 1 – Изображение частиц-пластинок порошка Bi1,95In0,05Te2,7Se0,3, синтезированного по примеру 2, полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ, микроскоп Jeol 2100). Видно, что синтезированный порошок состоит из гексагональных пластинок со средним размером ~400 нм.
Фигура 2 – Рентгеновская дифрактограмма синтезированного порошка Bi1,96In0,04Te2,7Se0,3 по примеру 3, выполненная с помощью дифрактометра Ultima IV Rigaku. Согласно данным рентгенофазового анализа, все порошки состава Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,01-0,05, были однофазными и имели ромбоэдрическую кристаллическую структуру (пространственная группа симметрии
Figure 00000001
).
Фигура 3 - РЭМ изображение скола образца готового материала Bi1,95In0,05Te2,7Se0,3, полученного по примеру 1, снятое с плоскости ориентированной параллельно оси прессования, типичное для всех объемных образцов состава Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,01-0,05, компактированных искровым плазменным спеканием.
Совокупность признаков получения материала Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,01 или 0,04 или 0,05 в заявленном способе не известна из уровня техники, следовательно он соответствует условию новизна. Соответствие условию изобретательский уровень подтверждается тем, что из уровня техники не известно влияние признаков способа на полученный технический результат. Промышленная применимость подтверждается приведенными ниже примерами.
Получение материала Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,01 или 0,04 или 0,05, осуществляют следующим образом.
К окиси висмута Bi2O3 приливают этиленгликоль, содержащий KOH в соотношении 1 г щелочи на 16 мл этиленгликоля. Данную суспензию при постоянном перемешивании магнитной мешалкой нагревают до температуры 110°С до полного растворения окиси висмута и выключают нагрев. Затем полученный раствор Bi2O3 соединяют с раствором, полученным путем растворения оксида теллура и гидроселенита натрия в этиленгликоле, содержащем щелочь из расчета 1г КОН на 80 мл этиленгликоля при температуре раствора 80-100°С, во избежание восстановления элементарного теллура и селена, и постоянном перемешивании магнитной мешалкой до полного растворения. В смесь растворов добавляют нитрат индия в стехиометрическом соотношении в соответствии с формулой Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х = 0,01 или 0,04 или 0,05, и выдерживают при температуре 90°С в течение 1 часа до получения прозрачного, желтоватого раствора.
Порошок Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно х = 0,01 или 0,04 или 0,05, получают сольвотермальным-микроволновым синтезом в лабораторной микроволновой системе MARS-6, где в течение 30 секунд смесь растворов нагревают до температуры 185°С и выдерживают при данной температуре 5 мин. По окончании процесса, автоклавы остужают естественным образом до комнатной температуры. В результате синтеза образуется суспензия порошка Bi2-xInxTe2,7Se0,3. Порошок отделяют центрифугированием, промывают 3 раза изопропиловым спиртом, 1 раз ацетоном и высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 100°С в течение часа.
Далее порошок компактируют в графитовой пресс-форме искровым плазменным спеканием при температуре 400°С и давлении 40 МПа в течение 2 минут.
В результате получают материал Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х = 0,01 или 0,04 или 0,05, плотностью примерно 7,2 г/см3, обладающий улучшенными термоэлектрическими свойствами, а следовательно и повышенной термоэлектрической добротностью.
Примеры осуществления изобретения.
Пример 1
Получение материала Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,05, из расчета на 30 гр готового материала.
В химический термостойкий стакан объемом 1 литр, загружают 17,4423 г.Bi2O3, к нему приливают 400 мл этиленгликоля с предварительно растворенным KOH в количестве 25 г. Данную суспензию при постоянном перемешивании магнитной мешалкой нагревают до температуры 110°С до полного растворения окиси висмута и выключают нагрев. В другом химическом стакане растворяют 16,5428 г оксида теллура и 1,7390 г гидроселенита натрия в 400 мл этиленгликоля, содержащем 5 г калийной щелочи, при постоянном перемешивании магнитной мешалкой и при температуре раствора 80°С, во избежание восстановления элементарного теллура и селена. Далее два полученных раствора сливают, добавляют 0,5777 г нитрата индия из расчета на безводный нитрат и выдерживают при температуре 90°С в течение 1 часа до получения прозрачного, желтоватого раствора.
Полученный раствор переливают в тефлоновые автоклавные стаканы лабораторной микроволновой системы MARS-6 и в течение 30 секунд нагревают до температуры 185°С. Время выдержки при данной температуре 5 мин. По окончании процесса, автоклавы остужают естественным образом до комнатной температуры. В результате синтеза образуется суспензия порошка Bi1,95In0,05Te2,7Se0,3. Порошок отделяют центрифугированием, промывают 3 раза изопропиловым спиртом, 1 раз ацетоном и высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 100°С в течение часа.
Далее порошок Bi1,95In0,05Te2,7Se0,3 загружают в цилиндрическую графитовую пресс-форму диаметром 20 мм и компактируют искровым плазменным спеканием при температуре 400°С и давлении 40 МПа в течение 2 минут.
Пример 2
Получение материала Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,05, из расчета на 30 гр готового материала.
Способ осуществляют как описано в примере 1, но для приготовления второго раствора 16,5428 г оксида теллура и 1,7390 г гидроселенита натрия после добавления в 400 мл этиленгликоля, содержащем 5 г калийной щелочи, растворяют при постоянном перемешивании магнитной мешалкой при температуре раствора 100°С.
Пример 3
Получение материала Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,04, из расчета на 30 гр готового материала.
В химический термостойкий стакан объемом 1 литр, загружают 17,5107 г. Bi2O3, к нему приливают 400 мл этиленгликоля с предварительно растворенным KOH в количестве 25 г. Данную суспензию при постоянном перемешивании магнитной мешалкой нагревают до температуры 110°С до полного растворения окиси висмута и выключают нагрев. В другом химическом стакане растворяют 16,5229 г оксида теллура и 1,7369 г гидроселенита натрия в 400 мл этиленгликоля, содержащем 5 г калийной щелочи, при постоянном перемешивании магнитной мешалкой и при температуре раствора 80°С, во избежание восстановления элементарного теллура и селена. Далее 2 полученных раствора сливают, добавляют 0,4614 г нитрата индия из расчета на безводный нитрат и выдерживают при температуре 90°С 1 час до получения прозрачного, желтоватого раствора.
Полученный раствор переливают в тефлоновые автоклавные стаканы лабораторной микроволновой системы MARS-6 и в течение 30 секунд нагревают до температуры 185°С. Время выдержки при данной температуре 5 мин. По окончании процесса, автоклавы остужают естественным образом до комнатной температуры. В результате синтеза образуется суспензия порошка Bi1,96In0,04Te2,7Se0,3. Порошок отделяют центрифугированием, промывают 3 раза изопропиловым спиртом, 1 раз ацетоном и высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 100°С в течение часа.
Далее порошок Bi1,96In0,04Te2,7Se0,3 загружают в цилиндрическую графитовую пресс-форму диаметром 20 мм и компактируют искровым плазменным спеканием при температуре 400°С и давлении 40 МПа в течение 2 минут.
Пример 4
Получение материала Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,04, из расчета на 30 гр готового материала.
Способ осуществляют как описано в примере 4, но 16,5229 г оксида теллура и 1,7369 г гидроселенита натрия в этиленгликоле, содержащем 5 г. калийной щелочи после добавления в 400 мл этиленгликоля, содержащем 5 г калийной щелочи, растворяют при постоянном перемешивании магнитной мешалкой при температуре раствора 100°С
Пример 5
Получение материала Bi 2-xInxTe 2,7Se0,3 , где х равно 0,03, из расчета на 30 гр готового материала.
В химический термостойкий стакан объемом 1 литр, загружают 17,5788 г. Bi2O3, к нему приливают 400 мл этиленгликоля с предварительно растворенным KOH в количестве 25 г. Данную суспензию при постоянном перемешивании магнитной мешалкой нагревают до температуры 110°С до полного растворения окиси висмута и выключают нагрев. В другом химическом стакане растворяют 16,5031 г оксида теллура и 1,7348 г гидроселенита натрия в 400 мл этиленгликоля, содержащем 5 г калийной щелочи, при постоянном перемешивании магнитной мешалкой и при температуре раствора 80°С, во избежание восстановления элементарного теллура и селена. Далее 2 полученных раствора сливают, добавляют 0,3456 г нитрата индия из расчета на безводный нитрат и выдерживают при температуре 90°С 1 час до получения прозрачного, желтоватого раствора.
Полученный раствор переливают в тефлоновые автоклавные стаканы лабораторной микроволновой системы MARS-6 и в течение 30 секунд нагревают до температуры 185°С. Время выдержки при данной температуре 5 мин. По окончании процесса, автоклавы остужают естественным образом до комнатной температуры. В результате синтеза образуется суспензия порошка Bi1,97In0,03Te2,7Se0,3. Порошок отделяют центрифугированием, промывают 3 раза изопропиловым спиртом, 1 раз ацетоном и высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 100°С в течение часа.
Далее порошок Bi1,97In0,03Te2,7Se0,3 загружают в цилиндрическую графитовую пресс-форму диаметром 20 мм и компактируют искровым плазменным спеканием при температуре 400°С и давлении 40 МПа в течение 2 минут.
Пример 6
Получение материала Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,03, из расчета на 30 гр готового материала.
Способ осуществляют как описано в примере 5, но для приготовления второго раствора 16,5031 г оксида теллура и 1,7348 г гидроселенита натрия после добавления в 400 мл этиленгликоля, содержащем 5 г калийной щелочи, растворяют при постоянном перемешивании магнитной мешалкой при температуре раствора 100°С.
Пример 7
Получение материала Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,02, из расчета на 30 гр готового материала.
В химический термостойкий стакан объемом 1 литр, загружают 17,6469 г.Bi2O3, к нему приливают 400 мл этиленгликоля с предварительно растворенным KOH в количестве 25 г. Данную суспензию при постоянном перемешивании магнитной мешалкой нагревают до температуры 110°С до полного растворения окиси висмута и выключают нагрев. В другом химическом стакане растворяют 16,4833 г оксида теллура и 1,7328 г гидроселенита натрия в 400 мл этиленгликоля, содержащем 5 г калийной щелочи, при постоянном перемешивании магнитной мешалкой и при температуре раствора 80°С, во избежание восстановления элементарного теллура и селена. Далее 2 полученных раствора сливают, добавляют 0,2302 г нитрата индия из расчета на безводный нитрат и выдерживают при температуре 90°С 1 час до получения прозрачного, желтоватого раствора.
Полученный раствор переливают в тефлоновые автоклавные стаканы лабораторной микроволновой системы MARS-6 и в течение 30 секунд нагревают до температуры 185°С. Время выдержки при данной температуре 5 мин. По окончании процесса, автоклавы остужают естественным образом до комнатной температуры. В результате синтеза образуется суспензия порошка Bi1,98In0,02Te2,7Se0,3. Порошок отделяют центрифугированием, промывают 3 раза изопропиловым спиртом, 1 раз ацетоном и высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 100°С в течение часа.
Далее порошок Bi1,98In0,02Te2,7Se0,3 загружают в цилиндрическую графитовую пресс-форму диаметром 20 мм и компактируют искровым плазменным спеканием при температуре 400°С и давлении 40 МПа в течение 2 минут.
Пример 8
Получение материала Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,02, из расчета на 30 гр готового материала.
Способ осуществляют как описано в примере 7, но для приготовления второго раствора 16,4833 г оксида теллура и 1,7328 г гидроселенита натрия после добавления в 400 мл этиленгликоля, содержащем 5 г калийной щелочи, растворяют при постоянном перемешивании магнитной мешалкой при температуре раствора 100°С.
Пример 9
Получение материала Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,01, из расчета на 30 гр готового материала.
В химический термостойкий стакан объемом 1 литр, загружают 17,7147 г.Bi2O3, к нему приливают 400 мл этиленгликоля с предварительно растворенным KOH в количестве 25 г. Данную суспензию при постоянном перемешивании магнитной мешалкой нагревают до температуры 110°С до полного растворения окиси висмута и выключают нагрев. В другом химическом стакане растворяют 16,4635 г оксида теллура и 1,7307 г гидроселенита натрия в 400 мл этиленгликоля, содержащем 5 г калийной щелочи, при постоянном перемешивании магнитной мешалкой и при температуре раствора 80°С, во избежание восстановления элементарного теллура и селена. Далее два полученных раствора сливают, добавляют 0,1149 г нитрата индия из расчета на безводный нитрат и выдерживают при температуре 90°С 1 час до получения прозрачного, желтоватого раствора.
Полученный раствор переливают в тефлоновые автоклавные стаканы лабораторной микроволновой системы MARS-6 и в течение 30 секунд нагревают до температуры 185°С. Время выдержки при данной температуре 5 мин. По окончании процесса, автоклавы остужают естественным образом до комнатной температуры. В результате синтеза образуется суспензия порошка Bi1,99In0,01Te2,7Se0,3. Порошок отделяют центрифугированием, промывают 3 раза изопропиловым спиртом, 1 раз ацетоном и высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 100°С в течение часа.
Далее порошок Bi1,99In0,01Te2,7Se0,3 загружают в цилиндрическую графитовую пресс-форму диаметром 20 мм и компактируют искровым плазменным спеканием при температуре 400°С и давлении 40 МПа в течение 2 минут.
Пример 10
Получение материала Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,01, из расчета на 30 гр готового материала.
Способ осуществляют как описано в примере 9, но для приготовления второго раствора 16,4635 г оксида теллура и 1,7307 г гидроселенита натрия после добавления в 400 мл этиленгликоля, содержащем 5 г калийной щелочи, растворяют при постоянном перемешивании магнитной мешалкой при температуре раствора 100°С.
Пример 11.
Исследование полученных по примерам 1-10 образцов материала Bi 2-xInxTe 2,7Se0,3 , где х равно 0,01-0,05.
Из образцов, полученных по примерам 1-10, вырезают заготовки в виде диска диаметром 10 мм и параллелепипеда с основанием 5*5 мм и высотой 10 мм для измерения термоэлектрических свойств в интервале 300-530 K.
Коэффициент термо-э.д.с и удельное электрическое сопротивление ρ
измеряли в среде гелия низкого давления с помощью оборудования ZEM-3 для
измерения термоэлектрических характеристик (компания изготовитель ULVAC).
Удельную теплоемкость и температуропроводность измеряли в вакууме методом лазерной
вспышки на установке TC-1200 (компания изготовитель ULVAC).
Теплопроводность k рассчитывали по формуле
Figure 00000002
где d – плотность образца, Cp – удельная теплоемкость, α – температуропроводность.
Измерение плотности образцов, полученных по примерам 1-10 проводили методом гидростатического взвешивания. В среднем, плотность образцов была на уровне 7,2 г/см3.
В таблице 1 представлены основные термоэлектрические свойства Bi2-xInxTe2,7Se0,3 где х=0,01-0,05.
Таблица 1.
Основные термоэлектрические свойства Bi2-xInxTe2,7Se0,3 где х=0,01-0,05
Figure 00000003
Как видно из таблицы 1, наилучшую термоэлектрическую добротность показали образцы по примерам 1 и 2, где х равно 0,05. А также по примерам 9 и 10, где х равно 0,01. В этих примерах значение термоэлектрической добротности по сравнению с нелегированным материалом Bi2Te2,7Se0,3 примерно на 10% выше. А также образцы по примерам 3 и 4, где х равно 0,04, значение термоэлектрической добротности у которых по сравнению с нелегированным материалом выше примерно на 5 %.
Таким образом, поставленная задача по расширению арсенала способов синтеза термоэлектрических материалов с повышенной термоэлектрической добротностью на основе твердого раствора Bi2Te2,7Se0,3 решена.
Заявленный способ позволяет получать материал Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х равно 0,01 или 0,04 или 0,05, с более высокой термоэлектрической добротностью по сравнению с Bi2Te2,7Se0,3 на 5-10%. Преимуществом данного способа является короткое время процесса, как на этапе синтеза порошка, так и на этапе компактирования объемной заготовки.

Claims (1)

  1. Способ получения термоэлектрического материала на основе теллурида висмута формулы Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х = 0,01, или 0,04, или 0,05, характеризующийся тем, что легирование индием материала Bi2Te2,7Se0,3 осуществляют на стадии сольвотермально-микроволнового синтеза, для чего готовят первый раствор путем растворения окиси висмута Bi2O3 в этиленгликоле, содержащем KOH в соотношении 1 г щелочи на 16 мл этиленгликоля, при температуре 110°С и постоянном перемешивании магнитной мешалкой до полного растворения окиси висмута; затем полученный раствор Bi2O3 соединяют со вторым раствором, полученным путем растворения оксида теллура и гидроселенита натрия в этиленгликоле, содержащем щелочь из расчета 1 г КОН на 80 мл этиленгликоля, при температуре раствора 80-100°С и постоянном перемешивании магнитной мешалкой до полного растворения; затем соединяют первый и второй растворы и в полученную смесь добавляют нитрат индия в стехиометрическом соотношении в соответствии с формулой Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х = 0,01, или 0,04, или 0,05, выдерживают при температуре 90°С в течение 1 ч до получения прозрачного, желтоватого раствора, который затем подвергают сольвотермально-микроволновому синтезу в течение 5 мин при температуре 185°С, после чего остужают естественным образом до комнатной температуры с получением суспензии порошка Bi2-xInxTe2,7Se0,3, где х = 0,01, или 0,04, или 0,05; порошок отделяют центрифугированием, промывают 3 раза изопропиловым спиртом, 1 раз ацетоном, высушивают в вакуумном сушильном шкафу при температуре 100°С в течение часа и компактируют в графитовой пресс-форме искровым плазменным спеканием при температуре 400°С и давлении 40 МПа в течение 2 мин.
RU2021122793A 2021-07-30 2021-07-30 Способ получения термоэлектрического материала на основе теллурида висмута RU2765275C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021122793A RU2765275C1 (ru) 2021-07-30 2021-07-30 Способ получения термоэлектрического материала на основе теллурида висмута

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021122793A RU2765275C1 (ru) 2021-07-30 2021-07-30 Способ получения термоэлектрического материала на основе теллурида висмута

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2765275C1 true RU2765275C1 (ru) 2022-01-27

Family

ID=80445448

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021122793A RU2765275C1 (ru) 2021-07-30 2021-07-30 Способ получения термоэлектрического материала на основе теллурида висмута

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2765275C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116143521A (zh) * 2022-12-26 2023-05-23 纯钧新材料(深圳)有限公司 一种n型碲化铋基材料及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2157020C2 (ru) * 1998-11-27 2000-09-27 Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Bi2(TeSe)3 ЭЛЕКТРОННОГО ТИПА ПРОВОДИМОСТИ
KR20120105390A (ko) * 2012-08-08 2012-09-25 한국과학기술연구원 나노컴포지트 열전소재 및 그 제조방법
KR101405318B1 (ko) * 2013-03-25 2014-06-13 한국과학기술연구원 텔루르화 비스무트-셀렌화 인듐 나노복합체 열전 소재 및 그 제조 방법
WO2017095972A1 (en) * 2015-11-30 2017-06-08 The Board Of Regents For Oklahoma State University Microwave processing of thermoelectric materials and use of glass inclusions for improving the mechanical and thermoelectric properties

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2157020C2 (ru) * 1998-11-27 2000-09-27 Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Bi2(TeSe)3 ЭЛЕКТРОННОГО ТИПА ПРОВОДИМОСТИ
KR20120105390A (ko) * 2012-08-08 2012-09-25 한국과학기술연구원 나노컴포지트 열전소재 및 그 제조방법
KR101405318B1 (ko) * 2013-03-25 2014-06-13 한국과학기술연구원 텔루르화 비스무트-셀렌화 인듐 나노복합체 열전 소재 및 그 제조 방법
WO2017095972A1 (en) * 2015-11-30 2017-06-08 The Board Of Regents For Oklahoma State University Microwave processing of thermoelectric materials and use of glass inclusions for improving the mechanical and thermoelectric properties

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ganesh Shridhar Hegde et al., Enhancement of thermoelectric performance of In doped Bi2Te2.7Se0.3 compounds, Physica B: Condensed Matter, 584, 1, 2020. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116143521A (zh) * 2022-12-26 2023-05-23 纯钧新材料(深圳)有限公司 一种n型碲化铋基材料及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zheng et al. High thermoelectric performance of p-BiSbTe compounds prepared by ultra-fast thermally induced reaction
WO2022126952A1 (zh) 一种碲化铋热电材料及其制备方法
Lu et al. The effect of Te substitution for Sb on thermoelectric properties of tetrahedrite
Wang et al. Enhancement of the thermoelectric performance of β-Zn4Sb3 by in situ nanostructures and minute Cd-doping
Scheele et al. Synthesis and thermoelectric characterization of Bi2Te3 nanoparticles
Wu et al. Highly enhanced thermoelectric properties of nanostructured Bi 2 S 3 bulk materials via carrier modification and multi-scale phonon scattering
US10622534B2 (en) Thermoelectric materials based on tetrahedrite structure for thermoelectric devices
Berthebaud et al. Microwaved assisted fast synthesis of n and p-doped Mg2Si
TW200933940A (en) Extrusion process for preparing improved thermoelectric materials
KR102579525B1 (ko) 반도체 소결체, 전기·전자 부재 및 반도체 소결체 제조방법
Xiao et al. A simultaneous increase in the ZT and the corresponding critical temperature of p-type Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 by a combined strategy of dual nanoinclusions and carrier engineering
Ozen et al. Enhanced thermoelectric performance in Mg 3+ x Sb 1.5 Bi 0.49 Te 0.01 via engineering microstructure through melt-centrifugation
KR20120106730A (ko) Gasb-충진된 스크테루다이트 복합물 및 그 제조 방법
Hu et al. Synthesis of Mg2Si for thermoelectric applications using magnesium alloy and spark plasma sintering
RU2765275C1 (ru) Способ получения термоэлектрического материала на основе теллурида висмута
Ge et al. Exceptionally low thermal conductivity realized in the chalcopyrite CuFeS2 via atomic-level lattice engineering
Ballikaya et al. Fracture structure and thermoelectric enhancement of Cu 2 Se with substitution of nanostructured Ag 2 Se
Liu et al. Excellent dispersion effects of carbon nanodots on the thermoelectric properties of Bi2Te2. 7Se0. 3 with excessive Te
Chen et al. Enhanced thermoelectric performance of chalcogenide Cu2CdSnSe4 by ex-situ homogeneous nanoinclusions
Deng et al. Raising the solubility of Gd yields superior thermoelectric performance in n-type PbSe
Kristiantoro et al. The influence of Dy concentration on the thermoelectric properties of n-type Dy-doped Bi2Te3 pellets prepared by hydrothermal and carbon burial sintering
Liu et al. Transmission Electron Microscopy Study of Mg 2 Si 0.5 Sn 0.5 Solid Solution for High-Performance Thermoelectrics
MOGHADDAM et al. Phase formation and thermoelectric properties of Zn1+ xSb binary system
Zhang et al. A Study on N-Type Bismuth Sulphochloride (BiSCl): Efficient Synthesis and Characterization
Yaprintseva et al. Preparation and thermoelectric properties of high-entropy (Bi2/3Sb1/3) 2 (Te2/5Se2/5S1/5) 3 alloy