一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法

1.本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法。


背景技术：

2.随着人口的增多和社会的发展，人类对化石能源的需求日益增加，使得环境与社会、资源与发展等一系列问题也日益突出，这些问题主要表现为：资源短缺、环境污染和生态破坏等方面。通过提高能源利用效率，加强对能源的二次回收利用，可以在一定程度上降低化石能源的消耗，缓解能源危机和环境污染。开发能够对工业废热、汽车尾气或其他环境热能等进行有效利用的新型能量转换材料，已经成为科学界以及各国政府重点关注的研究领域。热电材料作为一种清洁的新能源材料，在外加温场作用下，可使材料内部的载流子定向移动而实现热能和电能的相互转换，因其工作时无噪声、稳定性高且不排放温室气体等特点而受到人们广泛关注，也为应对全球能源与环境问题提供了一种有效的解决方案。
3.三硫化二锡(sn2s3)是一种具有一维针状结构的本征p型半导体，属于正交晶系，pnma空间群，晶胞参数为：其中sn具有混合价态，为+2与+4价。sn2s3带隙大约为1.1ev，为窄带隙半导体，具有良好的电学特性。由于其特殊的一维结构和混合价态特性，导致其具有极低的本征热导率，常温下本征热导率约为0.55wm-1
k-1
，450℃下本征热导率约为0.32wm-1
k-1
；同时，它具有较大的泽贝克系数，常温下本征泽贝克系数约为610μvk-1
，450℃下本征本征泽贝克系数约为650μvk-1
。构成它的两种元素锡(sn)与硫(s)在地壳中含量丰富且对环境友好。因此，sn2s3是一种非常有前景的环境友好型热电材料。
4.目前没有大批量制备三硫化锡的合成方法，尤其是大块体sn2s3单晶目前难以合成，因此亟需简单高效合成三硫化二锡热电材料的方法。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，包括以下步骤：
8.s1、将sn、s两种高纯单质按比例进行称量；
9.s2、将称量好的sn、s两种单质装在石英管里，再将石英管抽至真空后，并用氢氧焰枪密封；
10.s3、将密封后的石英管放在管式炉中进行热反应，反应结束后，得到sn2s3大块体单晶。
11.优选地，步骤s1中所述sn和s添加的摩尔比为2:3。
12.优选地，步骤s1中所述sn的纯度为99.99％，所述s的纯度为99.999％。
13.优选地，步骤s2中所述石英管密封的真空度为10-2
～10-3
pa。
14.优选地，步骤s3中所述石英管内sn、s的热反应过程为：用24小时升温至950℃，然后在950℃下保温72小时，保温结束后，随管式炉缓慢降至室温，得到sn2s3大块体单晶。
15.优选地，步骤s3中得到的sn2s3大块体单晶的长度为8cm。
16.采用上述技术方案后，本发明与背景技术相比，具有如下优点：
17.本发明采用的合成方法是以高纯sn和s作为原料，通过在管式炉加热使其发生反应，反应结束后即可得到大块体单晶，合成方法简单，生产效率高，可以大批量制备大块体sn2s3单晶；本发明制备得到的sn2s3对环境友好，具有本征低热导率，是一种非常有前景的热电材料。
附图说明
18.图1为本发明实施例反应合成的示意图；
19.图2为本发明实施例反应合成的大块体sn2s3单晶的实物图；
20.图3为本发明实施例反应合成的大块体sn2s3单晶的xrd图；
21.图4为本发明实施例反应合成的大块体sn2s3单晶研磨成粉末的多晶xrd图；
22.图5为本发明实施例反应合成的大块体sn2s3单晶的本征热导率图；
23.图6为本发明实施例反应合成的大块体sn2s3单晶的电导率图；
24.图7为本发明实施例反应合成的大块体sn2s3单晶的泽贝克系数图。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，包括以下步骤：
27.s1、准备原料sn粒、s粒，sn粒的纯度为99.99％(河北罗鸿科技有限公司生产)，s粒的纯度为99.999％(河北罗鸿科技有限公司生产)，将sn、s两种高纯单质按摩尔比为2:3称量，总重量为10克；
28.s2、将称量好的sn、s两种单质装在石英管里，再将装有原料的石英管抽至真空状态，真空度为10-2
～10-3
pa，并用氢氧焰枪密封；
29.s3、将密封后的石英管放在管式炉中进行热反应，石英管在炉膛位置如图1所示，在管式炉中用24小时缓慢升温至950℃，然后在950℃下保温72小时，保温结束后，随管式炉缓慢降至室温，得到sn2s3大块体单晶。所得sn2s3大块体单晶的实物如图2所示。所得sn2s3大块体单晶的xrd图如图3所示。所得sn2s3大块体单晶研磨成粉末后的xrd图如图4所示。所得sn2s3大块体单晶的本征热导率如图5所示。
30.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。


技术特征：
1.一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、将sn、s两种高纯单质按比例进行称量；s2、将称量好的sn、s两种单质装在石英管里，再将石英管抽至真空后，并用氢氧焰枪密封；s3、将密封后的石英管放在管式炉中进行热反应，反应结束后，得到sn2s3大块体单晶。2.如权利要求1所述的一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，其特征在于，步骤s1中所述sn和s添加的摩尔比为2:3。3.如权利要求1所述的一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，其特征在于，步骤s1中所述sn的纯度为99.99％，所述s的纯度为99.999％。4.如权利要求1所述的一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，其特征在于，步骤s2中所述石英管密封的真空度为10-2
～10-3
pa。5.如权利要求1所述的一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，其特征在于，步骤s3中所述石英管内sn、s的热反应过程为：用24小时升温至950℃，然后在950℃下保温72小时，保温结束后，随管式炉缓慢降至室温，得到sn2s3大块体单晶。6.如权利要求1所述的一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，其特征在于，步骤s3中得到的sn2s3大块体单晶的长度为8cm。

技术总结
本发明公开了一种高效生长三硫化二锡单晶热电材料的方法，包括以下步骤：S1、将Sn、S两种高纯单质按比例进行称量；S2、将称量好的Sn、S两种单质装在石英管里，再将石英管抽至真空后，并用氢氧焰枪密封；S3、将密封后的石英管放在管式炉中进行热反应，反应结束后，得到Sn2S3大块体单晶；本发明采用的合成方法是以高纯Sn和S作为原料，通过在管式炉加热使其发生反应，反应结束后即可得到大块体单晶，合成方法简单，生产效率高，可以大批量制备大块体Sn2S3单晶；本发明制备得到的Sn2S3对环境友好，具有本征低热导率，是一种非常有前景的热电材料。是一种非常有前景的热电材料。是一种非常有前景的热电材料。


技术研发人员：罗中箴 黄擎 邹志刚
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：2022.05.09
技术公布日：2022/8/16