[发明专利]一种层状纳米结构InSb热电材料的制备

说明书

本发明属于新能源材料技术领域，具体公开了一种层状纳米结构InSb热电材料的制备，包括以下步骤:(1)以纯度大于99.99％的颗粒状In、纯度大于99.99％的颗粒状Sb为起始反应原料，将反应原料InSb称重；将反应原料混合后置于石英管内，将石英管抽真空至1×10^‑1‑5×10^‑2Pa，然后通入高纯氩气保护，高纯氩气的纯度≥99.99％；采用20‑25℃/min的升温速度缓慢加热到600‑800℃，熔融3‑4h后冷却到室温；(2)将步骤(1)得到的块状产物粗磨成直径为10‑15mm的圆块，得到层状纳米结构InSb热电材料。采用本技术方案制备InSb热电材料，在缩短InSb热电材料制备周期的同时能够有效提高InSb热电材料的热电性能。

技术领域

本发明属于新能源材料技术领域，尤其涉及一种层状纳米结构InSb热电材料的制备。

背景技术

热电材料(又称温差电材料)能够利用固体内部载流子和声子的输运及其相互作用，可以有效地将热能转换为电能。目前人类能源利用率低，超过55％能源以废热的形式被释放到环境中，所以热电材料能提高能源利用率，得到越来越多的重视。在电生温差方面，主要应用在电子元件制冷和日常小规模制冷；温差生热方面，可以应用在深空探测电力供应和尾气余热回收。

热电材料的无量纲性能优值ZT是表征热电材料转换效率优劣的重要指标，ZT值可表示为：ZT＝σS²T/κ，其中S是Seebeck系数，σ是电导率，T是绝对温度，κ是热导率。由于决定材料热电性能的三个重要参数S、σ、κ之间是相互关联的，如何实现这些参数的独立调控(或协同调控)是提高热电性能的核心。目前，国内外研究的大多数热电材料主要是：(1)半导体金属合金型体系，如(Bi,Sb)₂(Te,Se)₃、Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、PbTe、GeTe、Zn-Sb合金等；(2)方钴矿CoSb₃体系；(3)金属硅化物体系，如β-FeSi₃、Mg₂Si_0.9Sn_0.1、CrSi₂、SiGe、Mn-Si等；(4)氧化物型体系如具有层状结构的NaCo₂O₄化合物及简单立方结构的NiO等。其ZT值大都在1.0左右。

在室温下InSb合金的带隙为0.18eV，目前有些III-V族化合物可以用于热电器件制备。研究结果表明，Te掺杂的InSb化合物具有n型传导，具有高的电导率和Seebeck系数，具有高的功率因子，700K下达5×10^-3Wm^-1K^-2，但是由于其热导率过高，室温下热导率达14Wm^-1K^-1以上，所以ZT值并不高，由于InSb化合物具有高的热导率，降低其热导率将大幅度提高其热电性能。许多研究表明，材料低维化后的量子效应会导致材料费米能级附近的电子态密度增加，从而提高了材料的Seebeck系数，同时材料中大量的晶界散射对声子的散射使材料的热导率大幅降低，两方面的共同作用将使材料的ZT值有所增加。InSb热电材料曾被报道采用熔融-缓冷-熔体旋甩技术-放电等离子烧结等过程制备，主要包括以下步骤：1)以颗粒状In、颗粒状Sb为起始反应原料，将反应原料按化学式InSb称重，混合，熔融冷却得到母合金锭体；2)将得到的母合金锭体放入石英玻璃管中并置于感应熔炼炉中熔炼，熔体在0.02MPa-0.06MPa的喷气压力下喷射到以线速度为10-40m/s高速旋转的铜辊表面，得到带状产物；3)将步骤2)得到的带状产物粗磨成粉末，用放电等离子烧结得到InSb热电材料。采用上述方法制备InSb热电材料，制备周期长(一般需要24h)而且制的InSb材料热电性能低(ZT值低于0.1)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种层状纳米结构InSb热电材料的制备，缩短InSb热电材料制备周期的同时提高InSb热电材料的热电性能。