1314-91-6/納米半導(dǎo)體碲化鉛材料的高壓合成方法

背景技術(shù)

PbTe是一種很好的熱電材料。采用不同的制備方法，對(duì)于其熱電性能有很大的影響。在許多的制備熱電材料的方法中，主要是通過(guò)提高材料的電導(dǎo)率，同時(shí)降低材料的熱導(dǎo)率(主要是降低材料的晶格熱導(dǎo)率)來(lái)提高材料的熱電性能。

與本技術(shù)相關(guān)的背景技術(shù)是以Pb粉和Te粉為原料，按化學(xué)計(jì)量比(Pb∶Te＝0.49∶0.51)混合，然后在10-3Pa以上的高真空、1200K高溫條件下燒結(jié)12小時(shí)左右。制備出的PbTe材料多為晶粒在微米量級(jí)的單晶或者多晶，熱導(dǎo)率的值約在2.3w/m.k，電阻率的值在10-4Ω·m量級(jí)。將這種材料用于制備熱電器件，其熱電性能較低。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明采用新的制備PbTe材料的方法——高壓合成方法，主要解決提高材料的熱電轉(zhuǎn)換性能這一技術(shù)問(wèn)題，以利于實(shí)際應(yīng)用。PbTe材料的熱導(dǎo)率與它的晶粒大小有一定的關(guān)系，本發(fā)明用控制高溫高壓合成的條件，特別是壓力大小，讓PbTe材料的晶體粒度在納米量級(jí)，從而使熱導(dǎo)率下降、電阻率降低。

本發(fā)明的塊納米半導(dǎo)體PbTe材料的高壓合成方法，以鉛粉(Pb)和碲粉(Te)為原料，經(jīng)混料壓塊、組裝、高溫高壓合成、冷卻等工藝過(guò)程制得PbTe材料。所說(shuō)的混料壓塊，是將鉛粉和碲粉按摩爾比1∶1進(jìn)行混合，按合成腔體大小壓成塊狀。所說(shuō)的組裝，是將塊狀原料裝入加熱容器中。所說(shuō)的高溫高壓合成，是在高壓裝置，比如六面頂壓機(jī)上進(jìn)行的，合成條件是壓力為1.0～6.0Gpa、溫度為850～1400K，保溫保壓20～40分鐘后停止加熱，再保壓3～8分鐘。所說(shuō)的冷卻，是以50～200K/S的降溫速率進(jìn)行冷卻。

本發(fā)明的合成實(shí)驗(yàn)是在國(guó)產(chǎn)DS029B型六面頂壓機(jī)上完成的。實(shí)驗(yàn)表明，合成壓力的大小是影響PbTe材料平均粒度，進(jìn)而影響PbTe材料的熱導(dǎo)率的重要因素，最佳壓力范圍為2.5～6.0Gpa。合成溫度的大小是影響PbTe材料純度的重要因素，最佳溫度范圍為1100～1250K。冷卻時(shí)的降溫速率是影響PbTe材料粒度的主要因素，最佳降溫速率為130～200K/S。

為了保持樣品腔體溫度均勻性，組裝可以是旁熱式加熱方式；為了使合成PbTe材料及原料在制備中不被氧化，合成腔體內(nèi)可以充氬氣保護(hù)。

本發(fā)明具有合成材料性能好，生產(chǎn)成本低，便于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)。PbTe晶體生長(zhǎng)良好，X光分析結(jié)果表明PbTe具有NaCl結(jié)構(gòu)，電子顯微鏡分析顯示，晶體顆粒大小為納米量級(jí)。合成出的PbTe熱導(dǎo)率的值低于1.5w/m.k，電阻率的值在10-5～10-6Ω·m量級(jí)。

具體實(shí)施方式

將高純Pb粉與Te粉按化學(xué)劑量比(1∶1)混合，粉壓成型后，將樣品裝入高壓腔體中。組裝腔體中用石墨作加熱管，用葉臘石做絕緣管，合成壓力為4.0GPa，溫度1200K，停止加熱后樣品的冷卻速率60K/s，合成出PbTe平均晶粒尺寸為1000nm。樣品的電導(dǎo)率為6×10-5Ω·m，熱導(dǎo)率值為1.4w/m.k。