[发明专利]一种多金属共掺杂的GeSe基热电材料及制备方法

说明书

本发明涉及一种多金属共掺杂的GeSe基热电材料及制备方法，金属共掺杂的GeSe基热电材料的化学分子式是GeA_xB_xSe_1+2x，其中A为一价金属Ag，B为三价金属Sb，x为金属A和B的摩尔分数，并且x值的范围为0到1。GeA_xB_xSe_1+2x热电材料的制备方法包括球磨混合，熔融反应，固体烧结。首先按照GeA_xB_xSe_1+2x分子式中的摩尔分数称取Ge,A,B,Se的单质粉末，然后将粉末球磨混合均匀，将混匀的粉末封管在高温下熔融反应，然后在适当的压力和温度条件下，利用放电等离子烧结技术烧结成块体热电材料。(GeA_xB_xSe_1+2x)热电材料具有很高的电导和功率因子，较低的热导，表现出很好的热电性能。

技术领域

本发明涉及的是热电领域，是一种多金属共掺杂的GeSe基热电材料及制备方法。

背景技术

热电技术能够实现热能与电能之间的相互转化，作为一种清洁的能源技术有广阔的应用前景。热电材料的性能可以用无量纲热电优值ZT来衡量，热电优值由下式计算ZT＝(S²σ/κ)T，其中S是Seebeck系数，σ是电导率，T是温度，κ是热导率，功率因子PF＝S²σ。好的热电材料需要高的电导率，高Seebeck系数和低的热导率。热电性能的提高可以通过提高功率因子(S²σ)和降低热导来实现。GeSe是一种二维层状材料，GeSe具有较高的Seebeck系数，热导较低，但是低的电导限制了GeSe在热电领域的应用。调控载流子浓度是提高电导的常用方法。调节晶体的结构，提高热电材料的晶体对称性，有利于增加价带简并，从而提高热电性能。2016年裴艳中研究组通过单金属掺杂和合金化的方法只能将ZT提高到0.2，仍然比较低，这主要是由于单掺杂只能将载流子浓度提高到10¹⁸cm^-3，GeSe的载流子浓度仍然需要进一步提高，以提高其电导和功率因子。目前对GeSe热电性质的相关研究还比较少，GeSe的热电性能的提高仍然面临着挑战，通过适当的方法制备高性能的GeSe基热电材料具有重要的意义。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种具有新型晶体结构的多金属共掺杂的GeSe基热电材料，具有很高的电导和功率因子，较低的热导，表现出很好的热电性能。

本发明技术解决方案：一种多金属共掺杂的GeSe基热电材料及制备方法，金属共掺杂的GeSe基热电材料的化学通式是GeA_xB_xSe_1+2x，其中A为金属Ag，B为Sb，x为金属A和B的摩尔分数，并且0x≤1。所述金属A和B摩尔分数比是1:1，优化后摩尔分数x的范围为0.05-0.3。

材料的制备方法如下：

(1)球磨混合：按GeA_xB_xSe_1+2x中的摩尔分数，称取Ge，A，B，Se元素单质的粉末，放入球磨罐中进行球磨混合，在一定转速和球磨时间内将粉末球磨均匀；

(2)熔融反应：将球磨混合后的粉末冷压成块，放入石英管内，然后用氢氧火焰真空封管，放入熔融炉中，升温至熔融温度，保持一段反应时间，降温到室温后得到块状材料；

(3)固体烧结：将熔融后的块状材料研磨成粉末，放入烧结模具中，然后将模具放入烧结炉中，利用放电等离子烧结技术，加压至设定压力，抽真空至1-5Pa，然后加电流升温，升温至烧结温度，保持此烧结温度一段时间，然后减小电流，降温至室温，结束烧结，得到GeA_xB_xSe₁₊₂热电材料。