专利名称：一类含稀土拓扑热电材料的制备方法
技术领域：
本发明属于材料合成技术领域，涉及一类含稀土拓扑热电材料的制备方法。
背景技术：
利用温差电现象(Peltier效应和Seebeck效应)制作的制冷器和发电器件，具有体积小、无噪声、无冷媒 ，且稳定性好等特点，因此在国防科技、光通讯器件和民生领域有着广泛应用。但是，这种固体器件的热、电转换效率远低于传统的制冷和发电机的效率。究其关键原因是用于构成回路的n型和p型两类半导体材料(通常称为热电材料或温差电材料)的热电性能偏低。因此，研究开发高性能新材料是该领域的关键科学与技术难题。热电转换器件的效率主要依赖于所使用的材料，即要求材料有大的热电优值，ZT=^oT/k (其中ZT是材料的热电优值，S、O和K分别是材料的塞贝克系数、电导率和热导率，T是绝对温度)，也就是要求材料具有大的电导率和塞贝克系数，低的热导率。然而
和K这三个物理量相互关联，难以独立调控。正是这一困难，使得传统热电材料的ZT值数十年来一直小于1，使热电转换器件的应用受到极大限制。
寻找高效热电材料主要经历三个阶段上世纪五六十年代，在获得关于温差电现象的物理认识后，开发出的Bi2Te3-Sb2Te3-Bi2Se3系合金体系就广泛应用于制冷与发电器件。然而，1970年后直到90年代中期在新型材料探索上没有取得进展，相关研究极度萎缩[G. S. Nolas , Thermoelectrics: Basic principles and New MaterialsDevelopments (Springer, Berlin 2001)]。 1995年开始，在对地球环境保护意识的加深和对新型能源开发需求的背景下，实现无污染制冷和用于低品位余热发电，的热电材料及器件再度引起人们关注，在世界范围内形成新一轮研究与开发热潮[Thermoelectricshandbook macro to nano, Edited by D. M. Rowe, 2006 CRC Press]。与普通绝缘体相比，拓扑绝缘体同时具有绝缘体和导体双重性，即块材整体上是有帯隙的绝缘态，而在表面却存在无帯隙的金属表面态。这种表面态是由能带结构的内在拓扑性质所决定，受时间反演不变对称性的保护，不容易受到缺陷、杂质等外界环境的影响。拓扑热电材料内部的载流子激发的半导体特性与表面态的金属性输运以及低热导率的特点有望实现高的热电优值。化学通式为RXT3的单相材料很难通过通常的熔炼方法获得，一般需要经过长时间的退火处理(Physica Status Solids A: AppI. Res. 86, pll3, 1984),该工艺的效率低，
能耗闻。
发明内容
本发明针对传统的制备方法的效率低、能耗高的等缺点，提供一种高效、快速的制备拓扑热电材料的方法，该拓扑热电材料的化学通式为rxt3。本发明采用熔炼-球磨-热压实现此类化合物材料的快速合成，本发明方法的具体步骤是步骤(I).将稀土金属、VA族半导体材料和VIA族半导体材料按照摩尔比1:1:3混合后放入反应容器中；
所述的稀土金属为镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钦(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)中的任意一种或两种的组合；所述的VA族半导体材料为锑(Sb)或铋(Bi);所述的VIA族半导体材料为碲(Te)、硒(Se)、硫(S)中的一种；
步骤(2).将反应容器抽真空，真空度小于等于3X10_4Pa，然后将反应容器密封； 反应容器抽真空后可以充入氩气，压力小于等于I个标准大气压，然后将反应容器密
封；
步骤(3).将密封的反应容器加热至900 1100 °C，保温5 20小时，然后自然冷却至常温，反应容器中取出中间产物；
步骤(4).将中间产物放入球磨机的球磨罐中，将球磨罐抽真空，真空度小于等于3 X 10_4 Pa，然后将球磨罐密封；·
球磨罐抽真空后可以充入氩气，压力小于等于I个标准大气压，然后将球磨罐密封；步骤(5).开启球磨机，球磨3 20小时，获得含稀土的拓扑热电材料粉体，其结构式为RXT3 ;其中R为稀土金属元素、X为VA族半导体材料元素、T为VIA族半导体材料元素；步骤￠).将含稀土的拓扑热电材料粉体在真空或氩气保护下采用热压烧结或放电等离子体烧结，获得致密的含稀土拓扑热电块体材料；所述的热压烧结的烧结温度为400 550°C、烧结压力为40 80 MPa、烧结时间为0. 5 3小时；所述的放电等离子体烧结的烧结温度为350 600°C、烧结压力为30 60 MPa、烧结时间为5 10分钟。本发明方法工艺简单、合成时间短、适用于工业化生产。利用本发明方法获得的材料的热导率低、密度高，并且具有良好的导电性。
图I为本发明实施例I制备的LaBiTe3的热导率随温度的变化曲线图。
具体实施例方式实施例I.
步骤(I).将13. 89g(0. ImoI)稀土金属镧(La)、20. 90g(0. lmol)VA族半导体材料铋(Bi) >38. 28g(0. 3mol)VIA族半导体材料碲(Te)混合后放入反应容器中；
步骤(2).将反应容器抽真空至3 X 10_4Pa，然后充入氩气至0.8个标准大气压，将反应容器密封；
步骤(3).将密封的反应容器加热至1000 °C，保温15小时，然后自然冷却至常温，取出中间产物；
步骤(4).将中间产物放入球磨机的球磨罐中，将球磨罐抽真空至3X 1(T4 Pa，然后充入氩气至0. 8个标准大气压，将球磨罐密封；
步骤(5).开启球磨机，球磨10小时，获得含稀土的拓扑热电材料粉体，其结构式为LaBiTe3 ；
步骤(6).将含稀土的拓扑热电材料粉体在氩气保护下采用热压烧结，烧结温度为400°C、烧结压力为80 MPa、烧结时间为0. 5小时，获得致密的含稀土拓扑热电块体材料LaBiTe3O制备的含稀土拓扑热电块体材料LaBiTe3的热导率随温度的变化如图I所示，可见LaBiTe3具有极低的热导率。实施例2.
步骤(I).将14. Olg (0. Imol)稀土金属铈(Ce)、12. 18g(0. lmol) VA族半导体材料锑(Sb), 38. 28g(0. 3mol)VIA族半导体材料碲(Te)混合后放入反应容器中；
步骤(2).将反应容器抽真空至2. 5 X IO-4 Pa，然后充入氩气至I个标准大气压，将反应容器密封； 步骤(3).将密封的反应容器加热至900 °C，保温20小时，然后自然冷却至常温，取出中间产物；
步骤(4).将中间产物放入球磨机的球磨罐中，将球磨罐抽真空至2. 5X 10_4 Pa，然后充入氩气至I个标准大气压，将球磨罐密封；
步骤(5).开启球磨机，球磨15小时，获得含稀土的拓扑热电材料粉体，其结构式为CeSbTe3 ；
步骤出).将含稀土的拓扑热电材料粉体在真空条件下采用热压烧结，烧结温度为450°C、烧结压力为60 MPa、烧结时间为I. 5小时，获得致密的含稀土拓扑热电块体材料CeSbTe3O实施例3.
步骤(I).将14. 09g(0. lmol)稀土金属镨(Pr)、12. 18g(0. lmol) VA族半导体材料锑(Sb)、23.69g(0. 3mol)VIA族半导体材料硒(Se)混合后放入反应容器中；
步骤(2).将反应容器抽真空至2. 8 X IO-4 Pa，然后充入氩气至0. 9个标准大气压，将反应容器密封；
步骤(3).将密封的反应容器加热至1100 °C，保温5小时，然后自然冷却至常温，取出中间产物；
步骤(4).将中间产物放入球磨机的球磨罐中，将球磨罐抽真空至2. 8X 1(T4 Pa，然后充入氩气至0. 9个标准大气压，将球磨罐密封；
步骤(5).开启球磨机，球磨5小时，获得含稀土的拓扑热电材料粉体，其结构式为PrSbSe3；
步骤￠).将含稀土的拓扑热电材料粉体在真空条件下采用热压烧结，烧结温度为550°C、烧结压力为40 MPa、烧结时间为3小时，获得致密的含稀土拓扑热电块体材料PrSbSe3O实施例4.
步骤(I).将14. 42g(0. lmol)稀土金属钕(Nd)、20. 90g(0. lmol)VA族半导体材料铋(Bi)、9.62g(0. 3mol)VIA族半导体材料硫(S)混合后放入反应容器中；
步骤(2).将反应容器抽真空至2. 5X 10_4 Pa，然后将反应容器密封；
步骤(3).将密封的反应容器加热至1050 °C，保温12小时，然后自然冷却至常温，取出中间产物；
步骤(4).将中间产物放入球磨机的球磨罐中，将球磨罐抽真空至2. 5X 10_4 Pa，然后将球磨罐密封；
步骤(5).开启球磨机，球磨3小时，获得含稀土的拓扑热电材料粉体，其结构式为NdBiS3 ；
步骤(6).将含稀土的拓扑热电材料粉体在氩气保护下采用放电等离子体烧结，烧结温度为350°C、烧结压力为60 MPa、烧结时间为10分钟，获得致密的含稀土拓扑热电块体材料 NdBiS3。实施例5.
步骤(I).将17. 30g(0. lmol)稀土金属镱(Yb)、20. 90g(0. lmol)VA族半导体材料铋(Bi)、23.69g(0. 3mol)VIA族半导体材料硒(Se)混合后放入反应容器中； 步骤(2).将反应容器抽真空至3 X 10_4 Pa，然后将反应容器密封；
步骤(3).将密封的反应容器加热至950 °C，保温10小时，然后自然冷却至常温，取出中间产物；
步骤(4).将中间产物放入球磨机的球磨罐中，将球磨罐抽真空至3 X 1(T4 Pa,然后将球磨罐密封；
步骤(5).开启球磨机，球磨6小时，获得含稀土的拓扑热电材料粉体，其结构式为YbBiSe3 ；
步骤(6).将含稀土的拓扑热电材料粉体在氩气保护下采用放电等离子体烧结，烧结温度为500°C、烧结压力为40 MPa、烧结时间为8分钟，获得致密的含稀土拓扑热电块体材14 YbBiSe3O实施例6.
步骤(I).将17. 50g(0. lmol)稀土金属镥(Lu)、12. 18g(0. lmol) VA族半导体材料锑(Sb), 38. 28g(0. 3mol)VIA族半导体材料碲(Te)混合后放入反应容器中；
步骤(2).将反应容器抽真空至2 X 10_4 Pa，然后将反应容器密封；
步骤(3).将密封的反应容器加热至900 °C，保温18小时，然后自然冷却至常温，取出中间产物；
步骤(4).将中间产物放入球磨机的球磨罐中，将球磨罐抽真空至2 X 1(T4 Pa,然后将球磨罐密封；
步骤(5).开启球磨机，球磨20小时，获得含稀土的拓扑热电材料粉体，其结构式为LuSbTe3 ；
步骤(6).将含稀土的拓扑热电材料粉体在氩气保护下采用放电等离子体烧结，烧结温度为600°C、烧结压力为30 MPa、烧结时间为5分钟，获得致密的含稀土拓扑热电块体材料 LuSbTe315实施例7.
步骤(I).将15. 73g(0. lmol)稀土金属钆(Gd)、12. 18g(0. lmol) VA族半导体材料锑(Sb)、23.69g(0. 3mol)VIA族半导体材料硒(Se)混合后放入反应容器中；
步骤(2).将反应容器抽真空至2 X 10_4Pa，然后充入氩气至I个标准大气压，将反应容器密封；
步骤(3).将密封的反应容器加热至980 °C，保温6小时，然后自然冷却至常温，取出中间产物；步骤(4).将中间产物放入球磨机的球磨罐中，将球磨罐抽真空至2 X 1(T4 Pa,然后将球磨罐密封；
步骤(5).开启球磨机，球磨12小时，获得含稀土的拓扑热电材料粉体，其结构式为GdSbSe3 ；
步骤￠).将含稀土的拓扑热电材料粉体在真空条件下采用热压烧结，烧结温度为500°C、烧结压力为50 MPa、烧结时间为I小时，获得致密的含稀土拓扑热电块体材料GdSbSe3O实施例8.
步骤(I).将15. 20g(0. lmol)稀土金属铕(Eu)、20. 90g(0. lmol)VA族半导体材料铋(Bi)、9.62g(0. 3mol)VIA族半导体材料硫(S)混合后放入反应容器中；
步骤(2).将反应容器抽真空至2. 4 X 10_4 Pa，然后将反应容器密封；
步骤(3).将密封的反应容器加热至1080 °C，保温8小时，然后自然冷却至常温，取出中间产物；
步骤(4).将中间产物放入球磨机的球磨罐中，将球磨罐抽真空至2. 4X 1(T4 Pa，然后充入氩气至0. 8个标准大气压，将球磨罐密封；
步骤(5).开启球磨机，球磨18小时，获得含稀土的拓扑热电材料粉体，其结构式为EuBiS3；
步骤(6).将含稀土的拓扑热电材料粉体在氩气保护下采用放电等离子体烧结，烧结温度为450°C、烧结压力为50 MPa、烧结时间为6分钟，获得致密的含稀土拓扑热电块体材料 EuBi S3。实施例9.
步骤(I).将 8. 33g(0. 06mol)稀土金属镧(La)、5. 60g (0. 04mol)稀土金属铈(Ce)、20. 90g(0. lmol) VA族半导体材料铋(Bi) ,38. 28g(0. 3mol) VIA族半导体材料碲(Te)混合后放入反应容器中；
步骤(2).将反应容器抽真空至2 X 10_4 Pa，然后将反应容器密封；
步骤(3).将密封的反应容器加热至1000 °C，保温12小时，然后自然冷却至常温，取出中间产物；
步骤(4).将中间产物放入球磨机的球磨罐中，将球磨罐抽真空至2 X 1(T4 Pa,然后将球磨罐密封；
步骤(5).开启球磨机，球磨12小时，获得含稀土的拓扑热电材料粉体，其结构式为(La0.6Ce0 4) BiTe3 ；
步骤(6).将含稀土的拓扑热电材料粉体在氩气保护下采用放电等离子体烧结，烧结温度为450°C、烧结压力为30 MPa、烧结时间为6分钟，获得致密的含稀土拓扑热电块体材料(Laa6Cea4) BiTe3。实施例10.
步骤(I).将 7. 60g(0. 05mol)稀土金属铕(Eu)、8. 75g (0. 05mol)稀土金属镥(Lu)、12. 18g(0. lmol) VA族半导体材料锑(Sb) ,23. 69g(0. 3mol) VIA族半导体材料硒(Se)混合后放入反应容器中；
步骤(2).将反应容器抽真空至3 X 10_4Pa，然后充入氩气至I个标准大气压，将反应容器密封；
步骤(3).将密封的反应容器加热至1100 °C，保温6小时，然后自然冷却至常温，取出中间产物；
步骤(4).将中间产物放入球磨机的球磨罐中，将球磨罐抽真空至3X 1(T4 Pa，然后充入氩气至I个标准大气压，将球磨罐密封；
步骤(5).开启球磨机，球磨6小时，获得含稀土的拓扑热电材料粉体，其结构式为(Eu0. 5Lu0. 5) SbSe3 ；
步骤￠).将含稀土的拓扑热电材料粉体在真空条件下采用热压烧结，烧结温度为500°C、烧结压力为70 MPa、烧结时间为2小时，获得致密的含稀土拓扑热电块体材料(Eu0 5Lu0 5) SbSe3。·
权利要求
1.一类含稀土拓扑热电材料的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤是 步骤(I).将稀土金属、VA族半导体材料和VIA族半导体材料按照摩尔比1:1:3混合后放入反应容器中； 所述的稀土金属为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钦、铒、铥、镱、镥中的一种或两种的组合；所述的VA族半导体材料为铺或秘；所述的VIA族半导体材料为締、硒、硫中的一种； 步骤(2).将反应容器抽真空，真空度小于等于3X10_4Pa，然后将反应容器密封； 步骤(3).将密封的反应容器加热至900 1100 °C，保温5 20小时，然后自然冷却至常温，反应容器中取出中间产物； 步骤(4).将中间产物放入球磨机的球磨罐中，将球磨罐抽真空，真空度小于等于3 X 10_4 Pa，然后将球磨罐密封； 步骤(5).开启球磨机，球磨3 20小时，获得含稀土的拓扑热电材料粉体，其结构式为RXT3 ;其中R为稀土金属元素、X为VA族半导体材料元素、T为VIA族半导体材料元素； 步骤￠).将含稀土的拓扑热电材料粉体在真空或氩气保护下烧结，获得致密的含稀土拓扑热电块体材料。
2.如权利要求I所述的一类含稀土拓扑热电材料的制备方法，其特征在于步骤(2)中反应容器抽真空后充入氩气，压力小于等于I个标准大气压，然后将反应容器密封。
3.如权利要求I所述的一类含稀土拓扑热电材料的制备方法，其特征在于步骤(4)中球磨罐抽真空后充入氩气，压力小于等于I个标准大气压，然后将球磨罐密封。
4.如权利要求I所述的一类含稀土拓扑热电材料的制备方法，其特征在于步骤(6)中采用热压烧结，烧结温度为400 550°C、烧结压力为40 80 MPa、烧结时间为0. 5 3小时。
5.如权利要求I所述的一类含稀土拓扑热电材料的制备方法，其特征在于步骤(6)中采用放电等离子体烧结，烧结温度为350 600°C、烧结压力为30 60 MPa、烧结时间为5 10分钟。
全文摘要
本发明涉及一类含稀土拓扑热电材料的制备方法。化学通式为RXT3的单相材料很难通过通常的熔炼方法获得。本发明首先将稀土金属、VA族半导体材料和VIA族半导体材料按照摩尔比1:1:3混合后放入反应容器中，将反应容器抽真空后加热至900～1100℃，保温5～20小时，再自然冷却至常温，取出中间产物放入球磨机的球磨罐中，将球磨罐抽真空后球磨3～20小时，获得含稀土的拓扑热电材料粉体；将粉体在真空或氩气保护下烧结，获得致密的含稀土拓扑热电块体材料，其结构式为RXT3。本发明方法工艺简单、合成时间短、适用于工业化生产。利用本发明方法获得的材料的热导率低、密度高，并且具有良好的导电性。
文档编号B22F9/04GK102709461SQ20121017195
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者廖罗兵, 李妙, 李领伟, 王江峰, 钱正洪, 霍德璇 申请人:杭州电子科技大学