[发明专利]一种n型SmMg2

说明书

本发明提供了一种n型SmMg₂Sb₂基热电材料及其制备方法，所述n型SmMg₂Sb₂基热电材料的化学通式为SmMg_2.3Sb_2‑x‑yBi_yTe_x，0x≤0.03，0≤y≤0.5。本发明的技术方案的SmMg₂Sb₂基热电材料具有较低的本征空穴浓度，室温下约4×10¹⁶ cm^‑3，同时其电子迁移率比空穴迁移率高出220%，高温时（＞600 K）电子浓度和空穴浓度相差较小，材料呈现出n型导电特征，态密度有效质量为2.6m₀，高于所有报道的p型AB₂X₂合金。

技术领域

本发明属于热电材料技术领域，尤其涉及一种n型SmMg₂Sb₂基热电材料及其制备方法。

背景技术

热电材料的性能由无量纲优值zT＝[S²σ/(κ_e+κ_L)]表征，提高电导率σ和塞贝克系数S，同时降低热导率κ(κ是载流子热导率κ_e，晶格热导率κ_L和双极效应κ_B之和)是材料优化的关键，但该三个物理量相互关联，难以单独调控，这是限制材料热电性能提升的主要原因。理想的热电材料应具备较高的塞贝克系数、高的电导率和低的晶格热导率，从而获得较大的zT值。

AB₂X₂(1-2-2型)Zintl相化合物是一种极性金属间化合物，在晶体中同时具有离子键和共价键。在晶体中，以共价键结合的阴离子框架为电输运提供良好的通道，同时复杂的晶体结构使得AB₂X₂材料具备很低的本征晶格热导率。AB₂X₂化合物元素组成非常丰富。其中，A位一般为碱土元素或二价的稀土元素(如：Mg，Ca，Ba，Sr，Yb，Eu，Sm)。B位元素主要为过渡族元素(如：Mn，Zn，Cd)。X位元素有Sb和Bi。丰富的种类和特殊的晶体结构使得AB₂X₂化合物受到热电领域广泛的关注。由于AB₂X₂合金中存在明显的本征阳离子空位，大部分AB₂X₂合金都呈现出强烈的p型导电特征。如图1所示为AB₂X₂的晶体结构图，可见在AB₂X₂型Zintl相材料中，A位极易形成空位，一个A位空位会产生两个空穴，所以AB₂X₂材料一般都呈现出本征p型导电特征，阳离子空位缺陷的自补偿效应使得n型AB2X2合金难以制备。同时，图2为AZn₂Sb₂合金(A：Yb，Ca，Eu，Sr)中A位空位形成能，文献计算表明，A位空位的缺陷形成能随着费米能级往导带移动而降低，即进行n型掺杂时，由于A位空位形成能降低，会有更多的空位产生，空穴浓度也随之升高，难以获得n型。所以目前报道的主要是p型AB₂X₂的热电性能，关于n型AB₂X₂合金很少见到有报道。

然而，一个完整的热电器件需要热电性能和热稳定性都相匹配的材料组装配对，同时理论计算也表明AB₂X₂合金的导带底位于布里渊区中对称性更高的k点，具有更好的热电性能。因此，n型AB₂X₂合金热电性能的研究具有很高的价值和意义。

发明内容