[发明专利]准一维纳米结构热电材料、器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热电材料的领域，涉及一种热电材料、器件及其制备方法，特别涉及一种热电转化效率高，能够制成热电传输不受材料厚度限制的热电器件的准一维纳米材料、器件及其制备方法。

背景技术

热电材料及器件是一种能够将热和能以及电和热直接转化的材料和器件，一直以来提高热电材料转化效率是该领域的中心任务，也就是决定转换效率的无量纲性能指数ZT值的提高(ZT＝a²σT/k，其中a为Seebeck系数，σ为电导率，k为热导率，T为绝对温度。其中热导率包括电子热导率和晶格热导率两部分)。ZT值越高，材料性能越好，能量转换效率越高。但热电材料中由于a，σ，k之间存在相关性，使ZT值较难提高，实际热电材料的ZT值仅在1左右。

现有的理论和实验研究已经证明纳米结构是提高热电材料转换性能的有效手段。纳米结构的热电材料通过内部大量的界面对声子的散射大于对电子的散射能够实现热导率(晶格热导率)大幅度的降低而对电导率的影响不大或者有很小程度的降低，来实现ZT值的提高。目前多种纳米结构的热电材料如掺杂纳米颗粒的热电材料，如纳米线，纳米薄膜，纳米多层膜等都使材料的优值因子得到优化。因此，利用声子及电子的散射波长不同，用掺杂及低维化的手段来降低材料热导率，使之获得较高的ZT值，是现在热电材料领域研究的重点。另外，从应用的角度考虑，低维热电材料能够实现局部定点冷却(spot-cooling)，如能进一步和待冷却器件一起通过半导体工艺集成，则能够实现单个晶体管或者其他元件的制冷，提高制冷效率，减少制冷功耗，提高器件运行速度。因此，近年低维热电材料的机理、材料制备以及器件方面的研究成为热电材料发展的热点，而且发展迅速。

M.S.Dresshauls等人在其综述中提到了掺杂纳米颗粒的纳米复合材料，该材料能够通过界面对声子的散射来降低热导率，通过量子限域效应来提高塞贝克系数，以此达到ZT值的提高。

公开号为CN1958820A的中国专利申请公开的一种掺杂的钛钴锑基热电复合材料及其制备方法就是利用熔炼的方法制得纳米复合热电材料，通过掺杂高基体材料增加电传输性能，大幅降低材料的晶格热导率，来提高材料的热电性能。公开号为CN1796271A的中国专利申请公开的纳米级银和锑或银和铋掺杂的碲化铅的制备方法中也叙述了一种以PbTe为基的热电材料的制备，制备出的热电材料粒度细、纯度较高，热电性能好。

Zhifeng Ren等人则采用成本低，并能进行批量生产的先球磨，再等离子热压烧结的方法制备出了晶粒大小在5～50nm的多晶SiGe合金和Bi-Te系热电材料。通过各晶粒之间的界面来增大对声子的散射，实现热导率的降低，热电转换效率的提高。在800～900摄氏度时SiGe合金ZT值提高了约50％。

公开号为CN1807606A的中国专利申请公开了一种纳米SiC/Bi₂Te₃基热电材料的制备方法，该方法利用机械合金化合成Bi₂Te₃化合物微细粉末，再利用放电等离子烧结工艺将掺杂纳米SiC颗粒的前驱微细粉烧结成块体，烧结的块体具有高的机械性能，同时掺杂的纳米颗粒能够增大对声子的散射，降低热导率，提高材料的热电性能。公开号为CN02156680.1的中国专利申请公开的钴锑合金热电材料的制备方法、公开号为CN1605417A】的中国专利申请公开的一种n-型Co-Sb系方钴矿化合物热电材料的制备方法中也利用了类似的方法制备了在400～500摄氏度附近应用于热电领域的高热电性能材料。

以上各种复合材料也即掺杂颗粒的纳米热电材料都能较好的提高材料的热电性能，但都存在晶粒大小较难控制，在受热时晶粒容易长大的问题，不能实现材料的可控生长。