專利名稱：一種碲化鉍基燒結(jié)材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碲化鉍基燒結(jié)材料的制備方法，特別是一種可加工性和熱 電性能良好的碲化鉍基材料的制備方法，屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域背景技術(shù)熱電致冷是一種利用半導(dǎo)體材料的帕爾帖效應(yīng)實現(xiàn)電能和熱能直接相互轉(zhuǎn) 換的技術(shù)，具控溫精確、安裝方便靈活、工作時不釋放有害物質(zhì)(如氟利昂)等優(yōu)點，在IT技術(shù)等高新技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。Bi2Te3的晶體結(jié)構(gòu)屬三方晶系，如圖1所示，沿C軸方向可視為六面 體層狀結(jié)構(gòu)，在同一層上具有相同的原子種類，層與層之間呈Te①Bi Te(2) Bi Te(1)的原子排布方式其中，Bi Te")之間以共價鍵和 離子鍵相結(jié)合，Bi Te^之間為共價鍵，而Te^ Te①之間則以范德華力結(jié)合。 其熱電性能呈各向異性，在平行于基面(00"的方向上具有最大的性能優(yōu)值。 目前，工業(yè)上主要采用區(qū)熔方法制備碲化鉍基材料，區(qū)熔方向與基面(O(U)平 行，以獲得最佳的熱電性能；但是，所得的區(qū)熔晶棒材料容易沿著晶體的 Te(" Te("面解理，材料的機械強度低，因而加工利用率低，組件可靠性受到 影響，小型/微型組件制造困難，限制了熱電電致冷技術(shù)的應(yīng)用。中國專利(ZL03150425.6)公開了高強度高性能碲化鉍基燒結(jié)材料的制備 方法，以區(qū)熔晶棒為起始材料，制粉，篩分，放電等離子(或者熱壓)燒結(jié)， 獲得塊體材料。這些方法，制粉過程復(fù)雜且容易引入的雜質(zhì)，篩分后要淘汰部 分粉體，降低材料的利用率，燒結(jié)材料平行于(00"的方向的取向度降低了， 其性能優(yōu)值有所下降，尤其是N型下降很多，導(dǎo)致致冷組件的致冷溫差比常規(guī) 組件低很多。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是要提供一種Bi2Te3基燒結(jié)材料制備的方法，以解決Bi2Te3 基燒結(jié)材料制備過程復(fù)雜且引入雜質(zhì)的問題，并使燒結(jié)材料具有很好的取向度，獲得良好的性能。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，以Bi2Te3基區(qū)熔晶棒為起始材料，直接加壓燒結(jié) 晶棒材料，獲得燒結(jié)材料。本發(fā)明具體包括以下步驟-晶棒預(yù)處理區(qū)熔晶棒表面有氧化物及其它雜質(zhì)，采用噴砂方法除去，參見圖2。噴砂壓 力0.5 1. 5kgf，采用剛玉砂或者石英砂，粒度150 250目。噴砂處理后，酒 精中超聲清洗3 10分鐘。預(yù)壓將預(yù)處理的晶棒置于模具中預(yù)壓，壓力15 25MPa，使晶體沿范德華力結(jié) 合的TeW Te^面解理，但是其取向仍然保持原來的方向，參見圖3。 燒結(jié)采用放電等離子快速燒結(jié)方法，通電加壓燒結(jié)晶棒材料，參見圖4。燒結(jié)工 藝抽真空，達到并保持6 10Pa;通電燒結(jié)的起始電流為100 800A，以后 每分鐘增加100 300A，直到燒結(jié)溫度達到，P型390 420。C， N型420 450°C ;微調(diào)電流，保持燒結(jié)溫度，保溫時間8 10分鐘；燒結(jié)壓力35 60 M Pa。采用這種晶棒直接加壓燒結(jié)方法制備Bi2Te3基燒結(jié)材料，具有以下優(yōu)點(1) 在垂直于晶棒生長方向的壓力作用下，晶體沿范德華力結(jié)合的Te①Te(" 面解理，通電后材料在高溫高壓下燒結(jié)，燒結(jié)材料保持了晶棒材料原有的取向；(2) 放電等離子快速燒結(jié)方法，可以避免碲化鉍基材料組元的蒸發(fā)，保持晶棒 材料的良好性能；(3)無需復(fù)雜的制粉過程，節(jié)約了制粉工時，同時減少了雜 質(zhì)的引入，及制粉過程帶來的材料損耗。


圖1為碲化鉍的晶體結(jié)構(gòu)；圖2為Bi2Te3基晶棒材料的噴砂預(yù)處理示意圖；圖3為Bi2Te3基晶棒預(yù)壓示意圖；3a預(yù)壓前，3b預(yù)壓后。圖4為Bi2Te3基預(yù)壓晶棒燒結(jié)示意具體實施例方式1、 實施例1采用24%Bi2Te3 + 76%Sb2Te3 + 3wt%Te的P型、93%Bi2Te3 + 7%Bi2Se3 + 0. 15wt^Tel4的N型晶棒材料，用剛玉砂，噴砂除去表面的氧化物及其它雜質(zhì)，然后超聲清洗5分鐘，干燥后置于模具中預(yù)壓，壓力20MPa，然后將預(yù)壓 后晶棒材料連同模具一起放入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中，抽真空達到6Pa，通電 加壓燒結(jié)。燒結(jié)的起始電流600A，以后每分鐘增加200A，直到燒結(jié)溫度達到 420°C,保溫10分鐘，獲得燒結(jié)材料。用這些燒結(jié)材料切割了 1. 5m mX 1. 28m m XL28mm的熱電元件，其選別率(合格品占總數(shù)的％) P型/N型為78. 5% /80%，用這些元件組立了致冷模塊，其最大溫差達到了69.7t: (5枚均值，偏 差O. 14)。2、 實施例2采用24%Bi2Te3 + 76%Sb2Te3 + 3wt%Te的P型、93%Bi2Te3 + 7%Bi2Se3 + 0. 15wt^Tel4的N型晶棒材料，用剛玉砂，噴砂除去表面的氧化物及其它雜 質(zhì)，然后超聲清洗5分鐘，干燥后置于模具中預(yù)壓，壓力20MPa，然后將預(yù)壓 后晶棒材料連同模具一起放入放電等離子燒結(jié)設(shè)備中，抽真空達到6Pa，通電 加壓燒結(jié)。P型燒結(jié)的起始電流為600A，以后每分鐘增加200A，直到燒結(jié)溫 度達到390°C，保溫8分鐘，獲得P型燒結(jié)材料；N型的燒結(jié)起始電流為450A， 以后每分鐘增加150A，到燒結(jié)溫度達到45(TC，保溫12分鐘，獲得N型燒結(jié) 材料。用這些燒結(jié)材料切割了 1.5mm XL28mmX1.28mm的熱電元件，其選 別率(合格品占總數(shù)的％) P型/N型為83.3X/83.3X，用這些元件組立了致 冷模塊，其最大溫差達到了 74 4°C (5枚均值，偏差0.22)。
權(quán)利要求
1、一種碲化鉍基燒結(jié)材料的制備方法，包括晶棒材料的預(yù)處理、預(yù)壓及放電等離子快速燒結(jié)，其特征在于放電等離子快速燒結(jié)過程中直接加壓燒結(jié)晶棒，獲得燒結(jié)材料。
2、 按權(quán)利要求1所述的一種碲化鉍基燒結(jié)材料的制各方法，其特征在于所 述放電等離子快速燒結(jié)過程中燒結(jié)溫度為390 450°C，保溫時間8 10分鐘， 燒結(jié)壓力35 60MPa。
3、 按權(quán)利要求1或2所述的一種碲化鉍基燒結(jié)材料的制備方法，其特征在 于所述晶棒預(yù)處理過程為采用噴砂方法除去區(qū)熔晶棒表面它雜質(zhì)。
4、 按權(quán)利要求3所述的一種碲化鉍基燒結(jié)材料的制備方法，其特征在于所 用噴砂為剛玉砂或者石英砂，粒度150 250目。
5、 按權(quán)利要求1或2所述的一種碲化鉍基燒結(jié)材料的制備方法，其特征在 于所述預(yù)壓的壓力15 25MPa。
6、按權(quán)利要求2所述的一種碲化鉍基燒結(jié)材料的制備力-法，其特征在于 所述放電等離子快速燒結(jié)的起始電流為100 800A，以后每分鐘增加100 300A,直到達到燒結(jié)溫度。
7、按權(quán)利要求2所述的一種碲化鉍基燒結(jié)材料的制備方法，其特征在于所 述放電等離子快速燒結(jié)過程中抽真空，達到并保持在6 10Pa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碲化鉍基燒結(jié)材料的制備方法，屬熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法包括晶棒材料的預(yù)處理、預(yù)壓及放電等離子快速燒結(jié)，特征在于放電等離子快速燒結(jié)過程中直接加壓燒結(jié)晶棒，獲得燒結(jié)材料。本發(fā)明再放電等離子快速燒結(jié)過程中控制燒結(jié)溫度為390～450℃，保溫時間8～10分鐘，燒結(jié)壓力35～60MPa，制備的碲化鉍基燒結(jié)材料保持了晶棒材料原有的取向，本發(fā)明方法無需復(fù)雜的制粉過程，節(jié)約了制粉工時，同時減少了雜質(zhì)的引入，及制粉過程帶來的材料損耗。
文檔編號H01L35/12GK101403139SQ20081003876
公開日2009年4月8日 申請日期2008年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月11日
發(fā)明者吳燕青, 夏緒貴, 李小亞, 陳立東 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所;上海申和熱磁電子有限公司