[发明专利]热电元器件扩散阻挡层的筛选方法

说明书

本发明涉及热电元器件扩散阻挡层的筛选方法，包括以下步骤：（1）确定热电元器件的候选阻挡层材料；（2）将候选阻挡层材料粉末和作为基质的热电材料粉末按一定配比混合均匀得到混合粉末；（3）将所得混合粉末致密化，得到致密体；（4）对致密体进行热持久处理；（5）观测经热持久处理的样品中各候选阻挡层材料颗粒与基质材料间的界面扩散情况，筛选出与基质材料界面稳定的阻挡层材料。

技术领域

本发明属于热电元器件技术领域，具体涉及热电元器件扩散阻挡层材料的筛选方法。

背景技术

在热电元器件服役过程中，器件高温端电极和热电材料界面处往往存在明显的互扩散和反应，并生成各种界面扩散层。与电极材料相比，扩散层本身的热、电性能通常较差，同时在界面扩散层的生长过程中往往还伴随体积效应，不仅降低扩散层的致密度，而且加剧界面微观孔洞和裂纹的生成，从而导致元件界面稳定性下降，服役性能劣化。由此可见，抑制界面扩散是提高热电元器件界面稳定性的关键。

为提高界面稳定性，通常在电极和热电材料之间加入阻挡层。阻挡层和热电材料间的界面扩散速率应远低于电极和热电材料间的界面扩散速率，从而有效提高元件的高温界面稳定性。实际应用中，对于低温区的Bi-Te系列热电元器件，目前可供选择的阻挡层材料有Ni(CN 101409324A,CN201408783Y2)，Mo(CN103579482B),Mo/Ni-Sn(CN102754230B)等；对于中温区的方钴矿系热电元器件，适合的阻挡层材料有Ti,Mo,Ti-Al(CN103531704A),Nb(CN106252500A)等；而对于高温区SiGe系热电元器件，目前有以TiB₂和Si₃N₄的混合物作为阻挡层的报道(X.Y.Yang,J.H.Wu,M.Gu,X.G.Xia,L.D.Chen,Fabrication and contact resistivity of W-Si₃N₄/TiB₂-Si₃N₄/p-SiGe thermoelectricjoints,Ceramics International 42(2016)8044–8050)。

随着环保理念的深入人心和材料科技的飞速发展，作为一种绿色能源技术，热电发电技术近年来广受关注。与十年前相比，美国、中国和日本每年在热电材料方面的研究报道增长了约2.5倍。一方面，Bi-Te，方钴矿，Si-Ge，Half-Heusler等传统热电材料的性能不断提升，另一方面，新型热电材料体系不断涌现。如近年来相继报道的Cu_xS(Z.H.Ge,B.P.Zhang,Y.X.Chen,et al.,Chem.Commun.,47,12697(2011)),Cu(2-x)Se(Huili Liu,Xun Shi,Fangfang Xu,et al.,“Copper ion liquid-like thermoelectrics”,NatureMaterials,11(2012),422-425),SnSe(Li-Dong Zhao,Gangjian Tan,Shiqiang Hao,etal.Ultrahigh power factor and thermoelectric performance in hole-dopedsingle-crystal SnSe,Science 351(6269),2015,DOI:10.1126/science.aad3749)等，这些材料具有优异的热电性能，其ZT值最高达到或接近2，预计相应热电器件的输出性能将非常优异。然而，与热电材料研究领域的热闹景象形成鲜明对比的是，热电元器件输出性能方面的研究报道多年来一直比较稀少，热电元器件长期服役行为的报道更是难得一见。重要原因之一是缺少合适的扩散阻挡层材料，导致元器件性能因界面扩散而在短时间内迅速恶化，因而不具备实用价值。由此可见，研发配套的扩散阻挡层材料是推动新型热电器件开发应用的重要环节。同时，对于传统热电材料，通过优化材料配方或提高高温端工作温度，可进一步提高热电器件的性能，而这同样需要阻挡层材料的优化升级。