本發明屬于半導體材料合成，具體涉及一種具有超高電導率的n型mg3(sb,bi)2半導體材料及其制備方法和應用。

背景技術：

1、半導體材料是一種導電性能介于導體與絕緣體之間的材料，其電阻率約在1mω·cm~1gω·cm范圍內。這類材料具有獨特的物理和化學性質，使得它們在電子器件和電路中有著廣泛的應用。半導體材料的導電性可以通過摻雜、溫度變化和電場效應等手段進行控制，這是半導體技術的基礎。

2、半導體材料具有獨特的物理和化學性質，近年來隨著半導體材料領域的不斷發展，二元系化合物半導體，如銻化鎂（mg3sb2）、硫化鉛（pbs）、硒化鉛（pbse）、硫化鋅（zns）等，因其性能優異、價格低廉、所含元素高豐度等優點被廣泛應用于光電器件、太陽能電池、紅外探測和熱電轉換等領域。

3、mg3(sb,bi)2基材料是一類zintle相熱電材料，由于其化學鍵和離子鍵構成的復雜網絡結構，具有電子晶體-聲子玻璃的特殊性能，且原料均為無毒、廉價、儲量豐富的元素。在mg3sb2中mg原子具有兩種不同的位置，分別是具有離子性的mg(i)和共價性的mg(ii)。mg(ii)與sb原子形成的[mg2sb2]2-層，mg(i)所構成的mg2+陽離子層。因此，mg3sb2的鍵特性介于離子鍵和共價鍵之間。這種復雜的共價鍵和離子鍵網絡結構符合聲子玻璃-電子晶體特征，可以獲得較高的載流子遷移率和較強的聲子散射。因此mg3(sb,bi)2半導體可以廣泛應用于熱電領域、光電子器件、溫度傳感器等。li等人通過機械合金化制備出摻雜nb的mg3.1nb0.1sb1.5bi0.49te0.01半導體材料，電導率的峰值在300?k下達到900?s?cm-1（j.-w.?li,z.?han,?j.?yu,?h.-l.?zhuang,?h.?hu,?b.?su,?h.?li,?y.?jiang,?l.?chen,?w.?liu,q.?zheng,?j.-f.?li,?wide-temperature-range?thermoelectric?n-type?mg3(sb,bi)2with?high?average?and?peak?zt?values,?nat.?commun.?14?(2023)?7428.）。lei等人通過真空熔煉法在1373?k?下燒結12?h，制備出了摻雜元素gd的mg3.065sb1.3bi0.7gd0.015，采取微過量mg的方式，在室溫下峰值電導率為900?s?cm-1（j.?lei,?h.?wuliji,?k.?zhao,t.-r.?wei,?q.?xu,?p.?li,?p.?qiu,?x.?shi,?efficient?lanthanide?gd?dopingpromoting?the?thermoelectric?performance?of?mg3sb2-based?materials,?j.?mater.chem.?a?9?(2021)?25944-25953.）。tamaki?等人發現了通過在sb位共同摻雜bi和te，同時在mg位加入少量過量mg，材料化學式為mg3.2sb1.5bi0.49te0.01，可以使材料變為n型，并獲得非常高的電導率,電導率峰值達到1200?s?cm-1。（h.?tamaki,?h.k.?sato,?t.?kanno,isotropic?conduction?network?and?defect?chemistry?in?mg3+xsb2-based?layeredzintl?compounds?with?high?thermoelectric?performance,?adv.?mater.?28?(2016)10182-10187.）。yang等人機械合金化的方法制備出mn摻雜的mg3.16mn0.04bi1.49sb0.5te0.01半導體，通過mn的多功能空位補償機制極大提高了載流子遷移率，獲得在室溫下1500?s?cm-1的電導率（k.?yang,?x.?li,?c.?sun,?w.?song,?w.?zhao,?q.?zhang,?robust?roomtemperature?thermoelectric?performance?of?mg3(sb,bi)2‐based?alloys?viamultivalent?mn?doping,?adv.?funct.?mater.2315886）。

4、上述摻雜和實驗方法制得的n型mg3(sb,bi)2半導體，均采用少量過量mg的方式，獲得穩定的n型傳導，并提高電導率。但由于mg過量程度不高，無法進一步弱化mg空位的影響，使其電導率都相對較低，嚴重限制了mg3(sb,bi)2半導體材料在半導體能源轉化器件，光電子器件、溫度傳感器等領域的進一步開發和應用，需要對其進行改性研究以提高mg3(sb,bi)2半導體材料的電導率。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種具有超高電導率的n型mg3(sb,bi)2半導體材料及其制備方法和應用，以解決現有技術中mg3(sb,bi)2半導體材料電導率較低的技術問題。

2、為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

3、第一方面，本發明提供一種具有超高電導率的n型mg3(sb,bi)2半導體材料的制備方法，包括以下步驟：

4、將金屬mg、金屬bi、金屬sb、金屬y和金屬ta，在氬氣保護下進行球磨，得到混合粉末；將混合粉末進行放電等離子燒結后得到所述n型mg3(sb,bi)2半導體材料。

5、優選的，所述金屬mg、金屬bi、金屬sb、金屬y和金屬ta均為粉體，且純度均大于99.9%。

6、優選的，所述氬氣的純度大于99.999%。

7、優選的，在進行球磨前，將所述金屬sb和金屬bi進行預磨。

8、優選的，所述球磨的條件為：球磨機的轉速為1000~1400?r/min，球磨時間為8~10h，球料比為10:1。

9、優選的，所述混合粉末的直徑小于5?μm。

10、優選的，所述將混合粉末進行放電等離子燒結的具體方法為：將混合粉末裝入石墨模具中，并用碳紙包裹密封進行燒結；其中，燒結的壓力為60~80?mpa，燒結的溫度為700~800℃，升溫速率為50~70℃/min，保溫時間為2~5?min。

11、第二方面，本發明提供一種具有超高電導率的n型mg3(sb,bi)2半導體材料，所述n型mg3(sb,bi)2半導體材料的化學式為mg3.5-x-ybi1.5sb0.5yxtay；其中，0.005≤x≤0.03；0≤y≤0.015。

12、優選的，所述n型mg3(sb,bi)2半導體材料的電導率為478~1788?s/cm。

13、第三方面，本發明提供一種具有超高電導率的n型mg3(sb,bi)2半導體材料在半導體能源轉化器件、光電子器件和溫度傳感器領域中的應用。

14、與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

15、本發明通過簡易的機械合金化：球磨加放電等離子燒結的方法制備出了材料結晶性良好，結構致密，可重復性強且具有超高電導率的n型mg3(sb,bi)2半導體材料，其電導率為1788?s/cm；具體的，本發明通過加入大量過量的mg元素，從而顯著抑制mg空位的生成，使得材料的結構致密，增大了材料的使用穩定性，并且提高了載流子濃度和遷移率，從而優化了電導率。再通過y和ta的雙摻雜，高化合價的元素摻雜進一步增大了材料載流子濃度和遷移率，最終獲得了超高電導率的n型mg3(sb,bi)2半導體材料。