專利名稱：超晶格熱電材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種熱電材料的制備方法，具體是一種超晶格熱電材料的制 備方法。
背景技術(shù)：
熱電材料是用于熱電轉(zhuǎn)換的一種材料， 一般是塊體材料，可用于制備食 品、藥物等產(chǎn)品的冷凍干燥以及能量轉(zhuǎn)換和制冷。
目前，熱電材料未得到廣泛應(yīng)用，其原因是材料的熱電性能較低，導(dǎo)致 轉(zhuǎn)換器件的熱電轉(zhuǎn)換效率較低。只有在一些特殊的環(huán)境中，熱電材料才得到
應(yīng)用，如在空間核電源上使用的PbTe、 SiGe熱電材料，無量綱優(yōu)質(zhì)系數(shù)為1 左右。理論分析和試驗結(jié)果表明，當(dāng)將熱電材料制成超晶格結(jié)構(gòu)或類超晶格 結(jié)構(gòu)時，無量綱優(yōu)質(zhì)系數(shù)將提高到^3。這樣熱電材料在能量轉(zhuǎn)換和制冷方 面將得到廣泛的應(yīng)用。
超晶格是兩種或兩種以上性質(zhì)不同的薄膜相互交替生長而形成的多層 結(jié)構(gòu)的晶體。目前制備超晶格結(jié)構(gòu)的方法都是薄膜制備方法，如分子束外延
生長、金有機物化學(xué)氣相外延生長等外延生長方法。分子束外延生長的超晶 格材料在每一層內(nèi)是單晶體，層的厚度可以控制在原子或分子級。但是，制 備過程需要在超高真空(lxl(T7Pa)下完成，蒸發(fā)物是以分子束或原子束的 形式輸運的。設(shè)備要求高，且工藝復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超晶格熱電材料的制備方法，該方法制備的 超晶格熱電材料可使熱電性能大幅提高。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種超晶格熱電材料的制備方法，其特征在于所述方法的具體步驟如
下
(1)配制相應(yīng)成份的可溶性鹽類溶液將Pb(N03)2和Te(N03)2與水配 制成具有兩種元素的質(zhì)量濃度為10-70%的硝酸鹽混合溶液作為組份1;將Pb(N03)2、 Se(N03)2及Te(N03)2與水配制成具有三種元素的質(zhì)量濃度為 10-70%的硝酸鹽混合溶液作為組份2;(2) 制備冷凍坯將上述兩種組份的鹽類溶液交替噴射在-7(TC -3(rC的 低溫金屬襯底上，形成冷凍層，待組份l冷凍層冷凍后，噴射組份2，待組 份2冷凍層冷凍后，再噴射組份l，如此過程交替進行，從而形成冷凍坯體；(3) 冷凍干燥將冷凍坯體置入干燥裝置中，在溫度為-10'C -2(TC與真 空度為103 260Pa中進行真空冷凍干燥,形成致密干燥的超晶格結(jié)構(gòu)的坯體；(4) 坯體加熱將坯體從IOO'C逐漸升溫至50(TC對坯體進行加熱，并 保溫4 10小時，去除雜質(zhì)；(5) 燒結(jié)將經(jīng)過加熱去除雜質(zhì)的坯體，在600 80(TC中進行電火花快 速燒結(jié)，得到具有超晶格結(jié)構(gòu)的塊體熱電材料。本發(fā)明的效果在于與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用本發(fā)明提供的方法制得的熱 電材料是由性質(zhì)不同的材料按照一定的厚度交替疊加構(gòu)成的，每一層都是多 晶體，層的厚度可根據(jù)需要調(diào)整。這種超晶格的結(jié)構(gòu)與塊體材料相比，能夠 對載流子的輸運通道進行控制，使得載流子在二維平面內(nèi)流動，由于晶格結(jié) 構(gòu)的周期變化，以及化學(xué)組分的周期變化，對晶格熱導(dǎo)具有較大的降低作用， 使得材料的熱電性能可大幅提高，大大拓寬了熱電材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步描述 實施例l本實施例選用Pb、 Te、 Se的硝酸鹽Pb(N03)2、 Te(N03)2和Se(N03)2為原料。具體步驟如下(1) 配制相應(yīng)成份的可溶性鹽類溶液:將lmolPb(N03)2和lmolTe(N03)2 與水配成具有兩種元素的硝酸鹽混合溶液，作為組份1;將0.5 (l-x) mol Pb(N03)2、 0.5xmolSe(NO3)2、與lmol Te(N03)2與水配成具有三種元素的硝 酸鹽混合溶液，作為組份2，其中x為0.001-0.3;(2) 制備冷凍坯將上述兩種組份的鹽類溶液，交替噴射在-7(TC的低溫金屬襯底上，形成2.5微米的冷凍層，待組份l冷凍后，噴射組份2，組 份2冷凍后，再噴射組份l，如此過程交替進行，形成厚度為10mm的冷凍 坯體；(3) 冷凍干燥將冷凍坯體置入干燥裝置中，在-l(TC，真空度103Pa下 進行真空冷凍干燥，形成具有一定致密度干燥的具有超晶格結(jié)構(gòu)的坯體；(4) 坯體加熱將坯體從IOO'C逐漸升溫至500'C對坯體進行加熱，并 保溫4小時，去除雜質(zhì)；(5) 燒結(jié)將冷凍干燥后的坯體，在60(TC下進行電火花快速燒結(jié)，得到具有超晶格結(jié)構(gòu)的塊體熱電材料。 實施例2本實施例選用的制備材料同實施例1。具體步驟如下(1) 配制相應(yīng)成份的可溶性鹽類溶液同實施例l;(2) 制備冷凍坯將上述兩種組份的鹽類溶液，交替噴射在-5(TC的低溫金屬襯底上，形成0.8微米的冷凍層，待組份l冷凍后，噴射組份2，組 份2冷凍后，再噴射組份l，如此過程交替進行，形成厚度為5mm冷凍坯 體；(3) 冷凍干燥將冷凍坯體置入干燥裝置中，在-15'C，真空度160Pa下 進行真空冷凍干燥，形成具有一定致密度干燥的具有超晶格結(jié)構(gòu)的坯體；(4) 坯體加熱將坯體從10(TC逐漸升溫至50(TC，并保溫6小時，去 除雜質(zhì)；(5) 燒結(jié)將冷凍干燥后的坯體，在700'C下進行電火花快速燒結(jié)，得 到具有超晶格結(jié)構(gòu)的塊體熱電材料。實施例3本實施例選用的制備材料同實施例1。 具體步驟如下(1) 配制相應(yīng)成份的可溶性鹽類溶液同實施例l;(2) 制備冷凍坯將上述兩種組份的鹽類溶液，交替噴射在-3(TC的低溫金屬襯底上，形成10微米的冷凍層，待組份l冷凍后，噴射組份2，組 份2冷凍后，再噴射組份l，如此過程交替進行，形成厚度為15mm的冷凍 坯體；(3) 冷凍干燥將冷凍坯體置入干燥裝置中，在-2(TC,真空度260Pa下 進行真空冷凍干燥，形成具有一定致密度干燥的具有超晶格結(jié)構(gòu)的坯體，(4) 坯體加熱將坯體從10(TC逐漸升溫至50(TC，并保溫10小時，去除雜質(zhì)；(5) 燒結(jié)將冷凍干燥后的坯體，在80(TC下進行電火花快速燒結(jié)，得 到具有超晶格結(jié)構(gòu)的塊體熱電材料。由本發(fā)明的制備方法制備的超晶格結(jié)構(gòu)的塊體熱電材料，其冷凍坯體的 厚度，可以根據(jù)需要的塊體材料的厚度不同而不同。最后得到超晶格結(jié)構(gòu)的 塊材的微觀結(jié)構(gòu)，為PbTe和Pb(l-x)SexTe薄層交替組成的塊體材料，其尺 寸可根據(jù)需要制備。
權(quán)利要求
1.一種超晶格熱電材料的制備方法，其特征在于所述方法的具體步驟如下(1)配制相應(yīng)成份的可溶性鹽類溶液將Pb(NO3)2和Te(NO3)2與水配制成具有兩種元素的質(zhì)量濃度為10-70％的硝酸鹽混合溶液作為組份1；將Pb(NO3)2、Se(NO3)2及Te(NO3)2與水配制成具有三種元素的質(zhì)量濃度為10-70％的硝酸鹽混合溶液作為組份2；(2)制備冷凍坯將上述兩種組份的鹽類溶液，交替噴射在-70℃～-30℃的低溫金屬襯底上，形成冷凍層，待組份1冷凍層冷凍后，噴射組份2，待組份2冷凍層冷凍后，再噴射組份1，如此過程交替進行，從而形成冷凍坯體；(3)冷凍干燥將冷凍坯體置入干燥裝置中，在溫度為-10℃～-20℃與真空度為103～260Pa中進行真空冷凍干燥，形成致密干燥的超晶格結(jié)構(gòu)的坯體；(4)坯體加熱將坯體從100℃逐漸升溫至500℃對坯體進行加熱，并保溫4～10小時，去除雜質(zhì)；(5)燒結(jié)將經(jīng)過加熱去除雜質(zhì)的坯體，在600～800℃中進行電火花快速燒結(jié)，得到具有超晶格結(jié)構(gòu)的塊體熱電材料。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超晶格熱電材料的制備方法，該方法采用液體噴淋的方法成膜，并迅速凝固制成超晶格結(jié)構(gòu)的熱電材料坯體，再進行干燥，形成較為致密的超晶格結(jié)構(gòu)坯體，再將坯體在低溫下保溫，使鹽類分解，雜質(zhì)揮發(fā)，再在高溫下使其迅速晶化，得到由性質(zhì)不同的材料按照一定的厚度交替疊加構(gòu)成的致密具有超晶格結(jié)構(gòu)的晶體，且每一層都是多晶體，層的厚度可根據(jù)需要調(diào)整。采用本發(fā)明的方法制備的超晶格熱電材料，其熱電性能得到大幅提高。
文檔編號C30B29/68GK101275282SQ200710050980
公開日2008年10月1日 申請日期2007年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月26日
發(fā)明者劉曉珍 申請人:中國核動力研究設(shè)計院