專利名稱：一種非晶/納米晶復(fù)合熱電材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非晶/納米晶復(fù)合熱電材料及其制備方法，屬于半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
熱電材料是一種通過載流子(電子或空穴)的運動實現(xiàn)電能和熱能直接相互轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體材料。當(dāng)熱電材料兩端存在溫差時，熱電材料能將熱能轉(zhuǎn)化為電能輸出；或反之在熱電材料中通以電流時，熱電材料能將電能轉(zhuǎn)化為熱能，一端放熱而另一端吸熱。熱電材料在制冷或發(fā)電等方面有廣泛的應(yīng)用前景。用熱電材料制造的發(fā)電裝置可作為深層空間航天器、野外作業(yè)、海洋燈塔等的電源，或用于工業(yè)余熱、廢熱發(fā)電。用熱電材料制造的制冷裝置體積小、不需要化學(xué)介質(zhì)，可應(yīng)用于小型冷藏箱、計算機(jī)芯片和激光探測器等的局部冷卻、醫(yī)用便攜式超低溫冰箱等方面，更廣泛的潛在應(yīng)用領(lǐng)域?qū)矣帽?、冷柜，車用或家用空調(diào)裝置等。用熱電材料制造的裝置具有無機(jī)械運動部件、無噪聲、無磨損、結(jié)構(gòu)簡單、體積形狀可按需要設(shè)計、壽命長等突出優(yōu)點?，F(xiàn)今環(huán)境與能源問題得到廣泛關(guān)注，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在上述領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，然而熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的普及關(guān)鍵是高性能熱電半導(dǎo)體材料的研究與開發(fā)。
熱電材料的性能用無量綱參數(shù)“熱電優(yōu)值”ZT表征ZT＝(2σT/κ)。這里α是材料的熱電勢系數(shù)，σ是電導(dǎo)率，κ是熱導(dǎo)率，T是絕對溫度。在熱電材料中，長期以來主要集中在晶體材料的研究，例如傳統(tǒng)的Bi2Te3，PbTe等熱電半導(dǎo)體材料，近來出現(xiàn)了一些二維與一維納米結(jié)構(gòu)材料如PbTe/PbSeTe的超晶格材料，Bi2Te3以及Bi的納米管，納米線，納米囊等新型熱電材料，這些晶體材料的熱電優(yōu)值ZT長期處于1左右，無法得到廣泛的應(yīng)用。對于非晶材料熱電性能的研究主要處于理論研究的層面上，并且是單純的非晶半導(dǎo)體，如非晶Si，Ge，As等等。非晶材料的熱電勢高，但是電導(dǎo)率低，因此無法滿足高熱電優(yōu)值熱電材料的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡便、成本較低、熱電性能優(yōu)異的非晶/納米晶復(fù)合熱電材料及其制備方法。
本發(fā)明的非晶/納米晶復(fù)合熱電材料，是在表達(dá)式為Ge20SbxTe80-x的非晶基體中分布著大小在5～20nm的GeTe和Te的納米晶顆粒，式中0≤x≤5。
非晶/納米晶復(fù)合熱電材料的制備方法，步驟如下1)按Ge20SbxTe80-x，其中0≤x≤5的化學(xué)式計量比，取鍺、銻和碲原料，將原料于800～850℃下真空熔煉成熔體，然后將熔體迅速投擲到-269～-196℃的低溫介質(zhì)中凝固形成非晶塊基體；2)將非晶塊基體置于真空退火爐中，于100～160℃熱處理30-240min。
上述的低溫介質(zhì)可以是液氮或液氦。原料可選用市售的鍺粒，銻塊和碲塊。
熱處理過程中，非晶基體中析出GeTe和Te的形核核心，調(diào)節(jié)熱處理溫度和時間可以控制非晶基體中納米晶的核長大過程，使形核核心長大到5～20nm，從而制備出大量均勻的，界面清潔的納米晶顆粒分布在非晶基體中，起到量子點的作用。
本發(fā)明的有益效果在于(1)制備方法簡單易行，工藝參數(shù)控制容易，制備的復(fù)合熱電半導(dǎo)體材料中納米晶原位析出，分布均勻，沒有團(tuán)聚，且非晶/納米晶界面清潔。
(2)本發(fā)明采用真空熔煉/低溫快速凝固法制備的非晶基體的直徑可達(dá)10mm以上，因此制備的非晶/納米晶復(fù)合熱電材料具有尺寸大的特點，可用于大器件的制造。
(3)本發(fā)明的熱處理工藝，可以很好的控制非晶基體中的納米晶顆粒的形成與長大，可以根據(jù)需要來調(diào)控納米晶顆粒的數(shù)量以及其尺寸。
(4)通過在非晶基體中原位生成納米晶，可以顯著的改善非晶基體的電導(dǎo)率，獲得具有高電導(dǎo)率，高熱電勢和低熱導(dǎo)率綜合優(yōu)良性能的熱電材料，實現(xiàn)熱電材料宏觀性能的突破。


圖1是非晶/納米晶熱電材料的XRD圖。
具體實施方法下面通過具體的實例來說明本發(fā)明，但本發(fā)明不限于下述實例。
實施1Ge20Te80非晶/納米晶復(fù)合熱電材料的制備1)按Ge20Te80的化學(xué)式計量比，稱取鍺粒和碲塊，將鍺粒和碲塊置于石英真空封管中，在850℃下真空熔煉成熔體，然后將石英管迅速的置入液氮中，得到直徑約10mm，長度10cm，表面光潔的非晶基體，經(jīng)過XRD測試，制備的非晶基體為完全非晶，不含結(jié)晶相；2)將制備的非晶基體在真空退火爐中退火，爐內(nèi)的真空度為10-3Pa，升溫至160℃進(jìn)行240min保溫，冷卻，得到非晶/納米晶復(fù)合熱電材料，通過XRD，HRTEM和熱電性能檢測，確定為致密的非晶/納米晶熱電半導(dǎo)體材料。其XRD圖如圖1所示，非晶衍射峰上分布著GeTe和Te結(jié)晶峰。
實施2含5％的Sb的Ge20Sb5Te75非晶/納米晶復(fù)合熱電材料的制備1)按Ge20Sb5Te75的化學(xué)式計量比，稱取鍺粒，銻塊和碲塊，將鍺粒，銻塊和碲塊置于石英真空封管中，在800℃下真空熔煉成熔體，然后將石英管迅速的置入液氦中，得到直徑約10mm，長度10cm，表面光潔的非晶基體，經(jīng)過XRD測試，制備的非晶基體為完全非晶，不含結(jié)晶相；2)將制備的非晶基體在真空退火爐中退火，爐內(nèi)的真空度為10-3Pa，升溫至100℃進(jìn)行30min保溫，冷卻，得到非晶/納米晶復(fù)合熱電材料，通過XRD，HRTEM和熱電性能檢測，確定為致密的非晶/納米晶熱電半導(dǎo)體材料。
權(quán)利要求
1.一種非晶/納米晶復(fù)合熱電材料，其特征是在表達(dá)式為Ge20SbxTe80-x的非晶基體中分布著大小在5～20nm的GeTe和Te的納米晶顆粒，式中0≤x≤5。
2.權(quán)利要求1所述的非晶/納米晶復(fù)合熱電材料的制備方法，其特征在于步驟如下1)按Ge20SbxTe80-x，其中0≤x≤5的化學(xué)式計量比，取鍺、銻和碲原料，將原料于800～850℃下真空熔煉成熔體，然后將熔體迅速投擲到-269～-196℃的低溫介質(zhì)中凝固形成非晶塊基體；2)將非晶塊基體置于真空退火爐中，于100～160℃熱處理30～240min。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非晶/納米晶復(fù)合熱電材料的制備方法，其特征在于所說的低溫介質(zhì)是液氮或液氦。
全文摘要
本發(fā)明公開的非晶/納米晶復(fù)合熱電材料，是在表達(dá)式為Ge
文檔編號H01L35/34GK1937272SQ200610053779
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月10日
發(fā)明者朱鐵軍, 閆風(fēng), 趙新兵 申請人:浙江大學(xué)