具有增強(qiáng)的熱電功率因子的熱電合金制造技術(shù)

提供了熱電材料和使用熱電裝置的方法。熱電材料包括具有一般組成(Bi1-x-zSbxAz)u(Te1-ySey)w的至少一種化合物。組分A包括至少一種IV族元素，并且其它組分在0≤x≤1、0≤y≤1、0＜z≤0.10、1.8≤u≤2.2和2.8≤w≤3.2的范圍。使用熱電裝置的方法可包括暴露熱電材料在大于大約173K的溫度下。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國(guó)外來(lái)華專(zhuān)利技術(shù)】具有增強(qiáng)的熱電功率因子的熱電合金相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2009年4月13日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/168，908和2009年12月17日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/287，669的權(quán)益，其每篇通過(guò)引用以其整體并入本文。背景領(lǐng)域 本申請(qǐng)一般地涉及熱電材料，并且更具體地涉及包含半導(dǎo)體化合物的熱電裝置。相關(guān)領(lǐng)域描述用于在室溫下或接近室溫(300K)下冷卻和熱泵操作的典型熱電材料是組成為(BihSbx) 2 (IVySey) 3的合金。這類(lèi)合金的范例是二元窄隙半導(dǎo)體Bi2Te3。一般地，n-和P-型的二元單晶Bi2Te3及一些(BihSbx)2 (Te1^Sey) 3多晶合金的熱電優(yōu)值(figure of merit)ZT = TS2O/k (S是熱電功率或Seebeck系數(shù)，而o和k分別是電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率)在300K大約為I。單晶形式的二元Bi2Te3的優(yōu)值僅在垂直于三次對(duì)稱(chēng)軸(trigonal axis)的方向上在300K達(dá)到大約為1，而沿著三次對(duì)稱(chēng)軸方向在300K僅達(dá)到垂直于三次對(duì)稱(chēng)軸的方向的值的大約一半。n-型Bi2Te3的ZT值一般比p-型Bi2Te3的稍高(不超過(guò)20% )。n_型和P-型二元Bi2Te3的最佳摻雜水平是大約n或p = 2 X IO19至3 X 1019cm_3，在p-型側(cè)具有更多偏差。(BihSbx)2(TehSey)3合金的優(yōu)勢(shì)包括它們是多晶的，因此它們的性質(zhì)是各向同性的，并且ZT對(duì)于摻雜水平的靈敏性比在二元化合物中更不明顯；所有這些簡(jiǎn)化了它們的制備。好的P-型合金具有摻雜至大約n = 4X1019至7X IO19CnT3的大致為Bi8Sb32Te6tl的組成或摻雜至大約同樣水平的BiltlSb3Je6tl的組成(更具各向異性)。好的n-型材料具有摻雜為大約3 X IO19至10X1019cm_3的Bi2SeaOT5Te2.925的組成或摻雜至大約相同電子濃度的Bi2Setl. 15Te2.85 的組成。已獲得的最佳值是大約 n = 4X 1019cm_3(H. Scherrer 和 S. Scherrer,“締化秘、締化鋪及它們的固溶體(Bismuth telluride, antimony telluride and theirsolid solutions)，，，第 211 頁(yè)，CRC Handbook of thermoelectrics,編者 D. M. Rowe, CRCPress, Boca-Raton, FL(1995))。Bi2Te3以通過(guò)垂直于三次對(duì)稱(chēng)軸的疊層形成的六方晶胞結(jié)晶。形成的順序是-_ -并且具有兩種類(lèi)型的Te原子，結(jié)合至Bi原子的那些(Te(2))和以較弱范德華鍵彼此結(jié)合的那些(Te(D)。該材料具有形成反位缺陷(antisite defect)的傾向，其中Bi原子可替代Tew原子并摻雜材料P-型。最終,帶結(jié)構(gòu)由具有六個(gè)橢球(ellipsoid)的導(dǎo)帶和價(jià)帶組成,每個(gè)橢球在布里淵區(qū)的鏡面上居中。價(jià)帶在布里淵區(qū)的鏡面中居中并在相對(duì)于晶軸以25°傾斜的鏡面中具有它們的主軸。此處使用報(bào)道的帶隙Eg是Eg(OK) = 0. 16eV、Eg(300K) = 0. 13eV(Sehr,R.，Testardi, L. R.，J. Phys. Chem. Solids, 23 1219 (1962))，導(dǎo)帶態(tài)密度有效質(zhì)量的最小值(bottom) = 0. 27me(H. Kohler, H. Non-Parabolicity of the Lowest Conduction Bandin Bi-Te from Shubnikov-de Haas Effect), Physica Status Solidi (b)73 (1976)),以及價(jià)帶態(tài)密度有效質(zhì)量的最高值=0. 35me(H. Kohler, Non-parabolicity of the HighestValence Band of Bi-Te from Shubnikov-de Haas Effect),Physica Status Solidi (b)74591 (1976)) (me是自由電子質(zhì)量)。提出由六個(gè)橢球組成的第二較重價(jià)帶在2K位于最高價(jià)帶下 20. 5meV (Kohler ;A. von Middendorf 和 G. Landwehr y “Evidence for a SecondValence Band in p-type Bi-Te-from Magneto-Seebeck and Shubnikov-de Haas Data)，，，Solid State Commun. 11 203(1972))。概述在某些實(shí)施方式中，提供熱電材料。該熱電材料包括一般組成為(BimSbxAz),(Te1^ySey)w的至少一種化合物，其中0彡X彡1，0彡y彡1，0 < z彡0. 10，I. 8彡u彡2. 2，2. 8 ^ 3. 2 組分A包括至少一種IV 族元素。在一些實(shí)施方式中，A組分包括錫。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，至少一種化合物包括在大約260K和大約300K之間使空穴濃度為大約2 X IO19CnT3和大約7 X IO19CnT3之間的摻雜劑濃度。在更進(jìn)一步的實(shí)施方式中，至少一種化合物包括至少一個(gè)錫-誘導(dǎo)共振級(jí)和/或至少一個(gè)第二價(jià)帶。在某些實(shí)施方式中，提供熱電材料。該熱電材料包括含有鉍、碲和錫的固溶體的至少一種化合物。該至少一種化合物進(jìn)一步包括至少一個(gè)錫-誘導(dǎo)共振級(jí)、至少一個(gè)第二價(jià)帶和在大約260K和大約300K之間使空穴濃度為大約2X IO19CnT3和大約7X IO19CnT3之間的摻雜劑濃度。在某些實(shí)施方式中，提供了使用熱電裝置的方法。該方法包括提供含有熱電材料的熱電裝置，所述熱電材料包括一般組成為(Bih_zSbxAz) u (Te1^ySey) w的至少一種化合物，其中0彡X彡1，0彡y彡1，0 < z彡0. 10，1. 8彡u彡2. 2，2. 8彡w彡3. 2，并且組分A包括至少一種IV族元素。該方法進(jìn)一步包括在熱電裝置操作期間將至少部分熱電材料暴露在大于大約173K的溫度下。附圖簡(jiǎn)述圖I闡明了具有共振雜質(zhì)能級(jí)的半導(dǎo)體的價(jià)帶或?qū)е袘B(tài)密度函數(shù)g(E)作為能量E的函數(shù)。虛線代表常規(guī)摻雜半導(dǎo)體的拋物線能帶的g(E)，在g(E)中超過(guò)范圍Ek的部分代表其中費(fèi)米能量Ef必須落入以增加熱電優(yōu)值ZT的區(qū)域。圖2 闡明了 Bi2Te3 和 Bi2Te3: Sn (Kohler > Kulbachinskii 和 Zhitinskaya 等)價(jià)帶的可能構(gòu)造。圖3是Bi2_mSnmTe3樣品SdH跡線的圖，并且插圖包括提出的價(jià)帶能量布局。圖4是在300K計(jì)算的p_型Bi2Te3的皮薩連科(Pisarenko)關(guān)系(實(shí)線和虛線)的圖。符號(hào)對(duì)應(yīng) WBi1.S975Snatltl25Te3,(菱形 Wih 9925Sntl._Te、(實(shí)心圓)Bih 985Snatll5Te^(實(shí)心方塊)Bih98Sna Q2Te3和(空心星)BiU5Snatl5Te3t5而且，顯示了 Bi2Te3摻雜(空心方塊和空心菱形)鉛(Bergmann等人；Plech紀(jì)ek等人)、(本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

【技術(shù)特征摘要】
【國(guó)外來(lái)華專(zhuān)利技術(shù)】...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：J·P·赫瑞曼，C·M·加沃斯基，V·A·庫(kù)貝奇斯凱，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：