[发明专利]高温高压下用叠氮化钡作原材料合成I-型硅基笼合物的方法

说明书

本发明提供高温高压下用叠氮化钡作原材料合成I‑型硅基笼合物的方法，其特征在于：包括原料混合、压块合成、酸洗及烘干步骤；所述的压块合成：反应压力为1GPa‑3GPa，反应温度为700°C‑825°C。本发明不需要惰性气体保护，不需要要采用纯元素合成，反应条件易于达到，大大降低了反应难度，缩短反应时间。

技术领域

本发明属于热电材料领域，涉及I-型笼合物材料的制备方法, 具体涉及高温高压下用叠氮化钡作原材料合成I-型硅基笼合物的方法。

背景技术

能源短缺和环境污染问题已经成为影响社会快速发展的最主要的两大障碍，这两者既相对独立又息息相关。目前，人类所使用的绝大部分能源还是化石能源，化石能源的过度开采和无节制使用，在给人类社会带来了文明和进步的同时，也带来了严重的环境污染和生态破坏问题。因此，开发利用新能源、回收利用废热能源，优化能源使用结构，节约不可再生能源，改善人类生存环境，变得尤为重要。为了更有效地利用人类生产和生活中那些被无形浪费的能源，一种新型无污染的能源转换材料“热电材料”应运而生。热电材料是一种能够直接将热能和电能相互转化的新型功能材料，其具有独特的性质，如高可靠性、静音、使用时间长、不需移动部件和零污染等，在不久的将来，它将被用于人类生活的各个领域，如，废热回收发电、环境友好型冰箱、太阳能发电等。并且随着近些年来各学科的交叉融合，学科之间的交流密切，热电材料的发展和应用得到了极大的拓展。

具有“声子玻璃-电子晶体”（PGEC）特征的Si基和Ge基笼合物是中高温区最具潜力的新型热电材料体系之一，由于其结构的特殊性，可以从多种途径实现性能优化，在提高热电性能方面具有潜在的提升空间。目前，无论单晶还是多晶I-型Si基和Ge基笼合物的制备都采用高纯的单质作为原料，Kuznetsov等在制作多晶I-型Ge基笼合物时，把纯单质以化学计量比均匀混合后置于涂有石墨膜的氧化铝坩埚中，把坩埚置于封闭的石英管中加热，加热的过程以5K/min的速率升温，并且升到高出相应化合物的熔点温度大约30-100K后保持2-3个小时，整个过程完成后要在空气中冷却。为了得到均匀的笼合物的产物，上面过程完成以后又要在经碳化的石英管中在氩气保护的环境中低于相应化合物的熔点大约100-150K的温度下保温150-720h后得到。Schujman等把高纯的单质以化学计量比均匀混合后放置在热解的氮化硼坩埚中，同样的把坩埚置于密封的石英安瓿瓶中，把安瓿瓶抽成真空以后注入0.068MPa的高纯氩气，把安瓿瓶密封后在1223K的温度下保持3天后再在空气中淬冷，得到1-3mm长的Sr₈Ga₁₆Ge₃₀单晶。Nolas等制备Sr₈Ga₁₆Ge₃₀和Eu₈Ga₁₆Ge₃₀单晶的方法与Schujman等相似，他们在安瓿瓶中加热到1223K保持3天以后没有淬冷而是在973K热处理4天后得到单晶。与Ge基笼合物相比，Si基笼合物由于其强势的价格优势受到众多科研工作者的青睐，而且低掺杂的Si基笼合物，尤其是Ba₈Si₄₆，目前只能通过纯元素合成，且反应条件苛刻，极易受到氧化，需要惰性气体保护。

本发明提出的一种新的I-型Si基笼合物材料的制备方法，大大降低了反应难度，不需要惰性气体保护，不需要要采用纯元素合成，反应条件易于达到，反应时间短。

发明内容

本发明的目的是提供一种在高温高压下用叠氮化钡作原料的方法来合成I-型硅基笼合物，不需要惰性气体保护，不需要要采用纯元素合成，反应条件易于达到，大大降低了反应难度，缩短反应时间。

为达到以上发明目的，本发明采用以下技术方案：

高温高压下用叠氮化钡作原材料合成I-型硅基笼合物的方法，包括如下步骤：

A、原料混合