第三讲温差电材料及其制备工艺ppt课件.ppt

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1、温差电技术讲座温差电材料及其制备工艺第三讲：2010.08张建中温差电材料的选择标准评价某一温差电材料的质量标准，单一温差电材料的优值z（figureofmerit，有的地方称为品质因子），即温差电材料的优值实际工作中，也经常使用它与绝对温度的乘积--无量纲优值zT的概念。要想得到优值高的材料，只有提高材料的塞贝克系数和电导率，降低材料的热导率。但是塞贝克系数、电导率和热导率都在不同程度上依赖于载流子浓度和迁移率。组分和工艺近似相同的温差电材料，其热导率一般不会有大的变化，因此人们往往用α2σ来评估材料热电性能的优劣。α2σ被称为功率因子（powerfactor）。优值温差电材料的选择熔

2、点蒸气压扩散性质热膨胀系数抗氧化能力机械性能增加ZT值，大于2，或更高（目前多少？）有优良的热、化学、机械稳定性合成或制备工艺有重复性工作条件下长期稳定性（5至10年）与其他系统材料相容性好原材料成本低、制备成本低绿色、环保先进温差电材料努力方向碲化铋及其合金温差电致冷器和低温温差发电器，应用最广的材料是Ⅴ-Ⅵ族化合物半导体碲化铋及其固溶体。熔点：585℃密度：7.86g/cm3晶体结构属三角晶系（菱形晶系）空间群：（No.160）碲化铋-Bi2Te3沿C轴方向可视为六面体层状结构，在同一层上具有相同种类的原子，层与层之间呈-Te(1)-Bi-Te(2)-Bi-Te(1)-的原子排布方式

3、。其中，Bi-Te(1)之间以共价键和离子键相结合，Bi-Te(2)之间为共价键，而相邻两个循环之间的Te(1)、Te(1)原子之间结合能较弱，以范德华键相结合。因此，BiTe晶体很容易沿垂直于晶体c轴的面发生解理。（机械性能！！！）晶体结构1-范德瓦斯键，2-共价－离子键，3-共价键，4-共价键，5-共价－离子键Bi2Te3晶体的层状结构Bi2Te3的化学计量比在晶体生长时不易控制。Bi2Te3合金在熔点温度时化合物组分富Bi，过剩的Bi在晶格中占据Te原子的位置后形成材料的受主掺杂，因此，非掺杂材料Bi2Te3为p型。Bi2Te3导电类型的控制方法，通常并不采用化学配比偏离的方法，而

4、仍然通过掺杂的办法。掺杂量适当，使载流子在材料工作温度下具有最佳浓度。受主杂质为：Sn、Sb、Pb、As、多余Bi。施主杂质为：Cu、Ag、Se、CuBr、SbI3、AgI、多余Te。导电类型和掺杂用半导体组成固溶体合金，在晶体结构中引入适当的短程无序而不改变晶格的长程有序，可以在影响迁移率不太大的前提下降低材料的热导率（κ中的κL部分），从而提高优值。Sb2Te3、Bi2Se3与Bi2Te3晶格结构相同，两者都不是很好的温差电材料。但将一种或两种化合物加入Bi2Te3中，因降低了晶格热导率，可以大大提高优值。固溶体Bi2Te3基赝二元体系主要有Bi2Te3—Bi2Se3和Bi2Te3—

5、Sb2Te3两种，每种的具体组分还可以在很大范围内改变。最好的p型温差电材料是组分为Bi2-xSbxTe3的赝二元体系，x≈1.5，碲过量。最好的n型温差电材料是组分为Bi2Te3-ySey的赝二元体系,y≈0.3，而且还要掺杂卤族元素。这两者已被详细研究过。赝二元Bi2Te3基材料N型材料：xBi2Te3—(1-x)Bi2Se3+掺杂P型材料：xBi2Te3—（1-x）Sb2Te3+过量Te赝二元Bi2Te3基材料最好的p型温差电材料：75%Sb2Te3—25%Bi2Te3+过量Te还可以写为：Bi0.5Sb1.5Te3+过量Te最好的n型温差电材料：97%Bi2Te3—3%Bi2Se

6、3+掺杂还可以写为：Bi2Te2.7Se0.3+掺杂（TeI4,SbI3等）在生长方向，p型n型Bi2Te3基赝二元合金的性质十分接近。其室温热电性能如下：α=±210μV/K微伏/度ρ=1.0×10－5Ω·m（σ=1000S/cm）西门子/厘米κ=1.4W/(m·K)瓦/（米.度）ZT=0.9热电性能N型Bi2Te3基赝二元体系合金93%Bi2Te3—7%Bi2Se3+ywt.%TeI4P型Bi2Te3基赝二元体系合金(1-x)Sb2Te3—xBi2Te3+3wt.%TeBi2Te3—Sb2Te3—Bi2Se3优值最高的p型材料：Bi0.5Sb1.5Te2.91Se0.09+过量Te室

7、温优值3.4×10-3K-1优值最高的n型材料：Bi1.8Sb0.2Te2.85Se0.15+掺杂SbI3室温优值3.2×10-3K-1Bi2Te3基赝三系合金铜、银、金等金属在Bi2Te3晶体中受热扩散很快，即使低温亦如此。这些元素作为施主杂质，很易从Bi2Te3的晶格出、入。例如，器件制作过程中，铜会溶入焊料，通过镍层进入温差电元件，整个过程仅需要几分钟。有人测量了铜在a轴和c轴扩散系数随温度变化。a向扩散系数很大，其原因无疑是