[发明专利]一种n型GeTe基热电材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种n型GeTe基热电材料及其制备方法，涉及热电材料技术领域。所述的n型GeTe基热电材料，具备多层级可控微结构，其化学式为(GeTe)_1‑x(AgBiTe₂)_x，其中x为0‑0.55。所述的n型GeTe基热电材料通过AgBiTe₂合金化制得，制备步骤包括：将Ge粉、Bi粉、Te粉和Ag粉混合并细化得到原料颗粒，随后将所述原料颗粒真空密封，并依次经过熔融烧结、淬火、退火、研磨以及放电等离子烧结，即得。本发明提供的一种n型GeTe基热电材料及其制备方法，能够实现多层级可控微结构设计，具有优异的热电性能，填补了n型GeTe材料的研究空缺，具有良好的应用前景。

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GeTe基热电材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着工业社会的飞速发展，能源危机和环境污染俨然已经成为当今人类面临的最严峻的两大问题。就资源浪费而言，目前传统热机仍然为人类提供80％的电力，而其中的70％以热能的形式浪费掉。如果能够有效回收这部分废热，能源危机问题将会被极大地缓解。为此，开发一种清洁高效的能量转换技术显得尤为重要。

热电转换技术作为一种绿色能源技术，它能够实现热能和电能的直接转换，有效地回收废热而不产生任何污染。热电技术的功能单元是热电模块。高性能热电模块既要求p型和n型材料具有较高的热电性能，又要求两者之间具有良好的兼容性。热电性能可以用无因次热电优值(ZT)表示,ZT＝S²σT/κ，其中S、σ、κ和T分别代表塞贝克系数、电导率、热导率(包括电子κ_e和晶格κ_l热导率)和绝对温度。高的ZT值要求高的电性能(由功率因数S²σ表示)和低的热性能(由κ表示)。良好的兼容性要求p型和n型材料之间的热膨胀系数(CTE)匹配。

随着材料设计理论的发展，低温Bi₂Te₃、中温PbTe、SnTe和GeTe以及高温half-Heusler合金等高性能热电材料得到了广泛的开发。其中，无铅GeTe基材料表现出非凡的热电性能。作为一种相变材料，GeTe在温度升高到700K时会发生菱方相向立方相的转变。此外，由于大量Ge空位的存在，GeTe材料的载流子以空穴为主，表现出强p型半导体特征。通过近几年的努力，p型GeTe材料的ZT值已经突破2.5。虽然p型GeTe基材料已经取得了优异的热电性能，但由于缺乏高兼容的n型对应物，GeTe基材料的实际应用仍是一个挑战。为了提高热电模块的可靠性，n型对应物通常选择与p型材料具有相似晶体结构和化学成分的材料。因此，对于GeTe基热电模块，n型对应物的最佳选择是n型GeTe基材料。值得注意的是，目前诸多p型GeTe材料专利被公开，但n型GeTe却鲜有报道，这严重限制了GeTe基材料实际应用。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种n型GeTe基热电材料及其制备方法，以解决上述问题。

为实现以上目的，本发明特采用以下技术方案：

本发明提供一种n型GeTe基热电材料，所述热电材料具备多层级可控微结构，其化学式为(GeTe)_1-x(AgBiTe₂)_x，其中x为0-0.55。

本发明还提供一种所述的n型GeTe基热电材料的制备方法，通过AgBiTe₂合金化制得，制备步骤包括：

将Ge粉、Bi粉、Te粉和Ag粉混合并细化得到原料颗粒，随后将所述原料颗粒真空密封，并依次经过熔融烧结、淬火、退火、研磨以及放电等离子烧结，即得。

可选的，所述混合并细化包括将所述Ge粉、Bi粉、Te粉和Ag粉同时放入氧化锆球磨罐中通过预球磨混合均匀并细化颗粒。