[发明专利]一种热电材料优化载流子浓度的方法

说明书

本发明属于热电材料领域，为解决热电材料载流子浓度n的优化流程非常局限导致材料开发进程非常缓慢，效率低下的问题，本发明提出了一种热电材料优化载流子浓度的方法，采用单熔区一次或多次区域熔炼，或者多熔区一次区域熔炼，对所需研究的热电材料基体进行成分梯度铸锭制备。简单高效，节省了材料开发环节大量的人力、物力，降低开发成本，加速材料研究的工程化应用。

技术领域

本发明属于热电材料领域，具体涉及一种热电材料优化载流子浓度的方法。

背景技术

现阶段，大量的低品位热能作为废热而直接排放，造成人类社会的能源利用率较低。热电器件可以直接实现热能与电能的转换，由于体积小、无噪音，无运动部件，有着独特的应用优势。热电器件的制冷效率主要取决于材料的无量纲热电优值zT＝α²σT/κ，其中α为材料的Seebeck系数，σ为电导率，κ为热导率。α²σ被称为功率因子(PF)，用以衡量材料的电性能。需要指出的是，α、σ、κ三者均与材料内部的载流子浓度n紧密耦合。一般地，随着n的增大，α降低，σ增大。κ主要由两部分组成，电子热导率κ_e和晶格热导率κ_l，前者随n的增大而增大，后者可以相对独立调控。因此，一般优化材料的热电优值的手段为，首先优化材料内部的载流子浓度n，使得功率因子PF较为优异；之后，再利用点缺陷调控，引入多尺度微结构，纳米化等手段，降低可以相对独立调控的晶格热导率κ_l。特殊地，对于一些材料的能带结构可以进行调节，使得Seebeck系数进一步增大，称为“能带工程”。总而言之，优化材料的载流子浓度n，是优化材料热电性能的第一步，也是最重要的一步。

目前，对于热电材料载流子浓度n的优化流程非常局限，主要是对同一基体进行不同的元素掺杂，设计不同的掺杂量。举例说明：对于碲化铋基体的n优化，设计了5个不同Cu掺杂量的成分，以获得不同n对应的材料zT的关系曲线，通过二次拟合得到优化的n，因此需要进行5次称料、制样、切割、测试等繁复的过程。假设实验设计范围不符合预期，n-zT未出现顶点，还需补充不同范围的n的样品，再次进行称料、制样、切割、测试等。这样繁琐的过程使得材料开发进程非常缓慢，效率低下。

发明内容

为解决热电材料载流子浓度n的优化流程非常局限导致材料开发进程非常缓慢，效率低下的问题，本发明提出了一种热电材料优化载流子浓度的方法，简单高效，节省了材料开发环节大量的人力、物力，降低开发成本，加速材料研究的工程化应用。

本发明利用液-固相变，正常凝固过程中产生的分凝现象，在同一铸锭中获得不同掺杂量即不同载流子浓度n的样品。分凝现象指的是溶质原子在固态溶剂中与液态溶剂中的固溶度不同，当液相开始局部结晶成固相时，一部分溶质原子不能溶解进结晶后的固相(分凝系数小于1)，因此这部分的掺杂浓度将低于平衡浓度。对于区域熔炼的方法而言，掺杂浓度将按以下公式变化：

其中，C为固相中的掺杂含量，k为分凝系数，C₀为所平衡掺杂浓度(材料设计的平均掺杂浓度)，g为凝固部分长度，X为铸锭总长度，l为熔区长度。因此，通过调节以上的参数及区熔的次数(多熔区的效果与多次区熔的效果一致)，可以在一根晶棒上获得足够的浓度梯度。再经过简易的Seebeck系数与电导率快速扫描，计算出最优的PF所在铸锭部位，测试其n即为优化载流子浓度。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种热电材料优化载流子浓度的方法以下步骤：

(1)采用单熔区一次或多次区域熔炼铸锭，或者多熔区一次区域熔炼铸锭，对热电材料基体同时进行成分梯度铸锭制备；