一種摻雜單晶SnSe的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種摻雜SnSe單晶的制備方法，該方法為：將配好的原料封于石英管中,并置于一具有溫度梯度的爐子內(nèi)；將爐溫升至一定溫度，并在該溫度下保溫一段時間保證原料充分熔化；然后采用布立基曼法,利用爐中的溫度梯度及爐腔與原料之間的相對位置變化，使熔融原料從一端緩慢結(jié)晶并最終制得摻雜SnSe單晶。本發(fā)明制備的摻雜SnSe單晶尺寸大、熱電性能優(yōu)越，其低溫區(qū)ZT值相對于未摻雜的樣品提高近一個量級；其原材料成本低、環(huán)境友好，因而具有很好的實際應用前景。
【專利說明】
一種摻雜單晶SnSe的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于單晶制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種摻雜單晶SnSe的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人類社會的發(fā)展伴隨著能源消耗的增加，化石燃料作為不可再生能源正日益減少，開發(fā)新的可再生能源己成為21世紀的熱門問題。熱電材料(溫差電材料)是一種利用固體中載流子和聲子的輸運及其相互作用，實現(xiàn)熱能和電能之間直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料。由熱電材料制作的溫差發(fā)電和制冷器件具有無污染、無噪聲、無磨損、體積小、反應快、易于維護、安全可靠等優(yōu)點，有著極其廣泛的應用前景。此外，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)作為一種新型的清潔能源技術(shù)可以極大地解決人類面臨的環(huán)境污染問題，尤其將其應用于工業(yè)廢熱的利用以及太陽光熱的復合發(fā)電，對于提高能源的利用率、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、建設節(jié)約型社會意義重大。
[0003]然而目前熱電材料普遍存在的問題是其熱電優(yōu)值ZT不高。對熱電材料的性能進行優(yōu)化是一種提高其能源轉(zhuǎn)換效率的重要手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種摻雜單晶SnSe的制備方法，旨在解決目前熱電材料普遍存在其熱電優(yōu)值ZT不高，原材料成本高，能源轉(zhuǎn)換效率不理想的問題。
[0005]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，
[0006]一種摻雜SnSe單晶的制備方法，該摻雜SnSe單晶的制備方法包括以下步驟:
[0007]步驟一，將原料按照一定的原料配比配好并封在石英管中，置于用于樣品生長的爐子中；
[0008]步驟二，將爐子升溫至一定溫度，并保溫一段時間保證原料充分熔化；
[0009]步驟三，采用布立基曼法，利用爐中的溫度梯度及爐腔與原料之間的相對位置變化，使熔融原料從一端緩慢結(jié)晶并最終制得摻雜SnSe單晶。
[0010]進一步，所述步驟一中原料為Sn、Se、R，原料為Sn、Se、R中的R為元素周期表中除Sn、Se以及惰性氣體元素以外的一種元素或多種元素的組合。
[0011 ] 進一步，所述步驟一中原料按摩爾計配比為:Sn:R: Se = 50?99.9:0.1?50:90?110，優(yōu)選按摩爾計配比為511:1?:56 = 95?99.9:0.1?5:95?105。
[0012]進一步，所述步驟一中將原料封在石英管中時，石英管中或真空狀態(tài)或惰性氣體保護狀態(tài);真空狀態(tài)時真空度在10—7?14Pa,惰性氣體保護狀態(tài)時壓強為1-4?105Pa。
[0013]進一步，所述步驟一中用于樣品生長的爐子，為馬弗爐、管式爐、井式爐或者單晶爐中的一種且具有溫度梯度的爐子。
[0014]進一步，所述步驟二中爐子所升到的溫度以及所保持的溫度為700?1200攝氏度，優(yōu)選溫度為870攝氏度?1100攝氏度;所述保溫時間為O?100小時，優(yōu)選保溫時間為0.5?5小時。
[0015]進一步，所述步驟三中布立基曼法為一種利用溫度梯度來使樣品的固/液分界線緩慢移動，從而促使樣品從一端到另外一端逐漸冷凝結(jié)晶的方法。
[0016]進一步，所述步驟三中爐內(nèi)溫度梯度為0.0I?50度/厘米，優(yōu)選溫度梯度為0.2?5
度/厘米。
[0017]進一步，所述步驟三中爐腔與原料之間的相對位置變化方法為:通過爐腔定向移動或原料定向移動或者爐腔與原料之間相背移動。
[0018]進一步，定向移動速度為0.01?10mm/小時，優(yōu)選移動速度為0.5?1mm/小時。
[0019]本發(fā)明提供的摻雜單晶SnSe具有十分優(yōu)越的熱電性能，即具有優(yōu)秀的熱電優(yōu)值和優(yōu)秀的平均熱電優(yōu)值，本發(fā)明制得的單晶與未摻雜單晶相比，可將整體性能提高3-6倍，并且材料生長所需時間與其他傳統(tǒng)的多晶熱電材料相當(大約一周)，整體熱電性能也是頂尖的，本發(fā)明制得的摻雜單晶SnSe材料在可用范圍內(nèi)的平均熱電優(yōu)值ZT具有優(yōu)越性;本發(fā)明提供的摻雜SnSe單晶尺寸大，熱電性能優(yōu)越，其低溫區(qū)ZT值相對于未摻雜的樣品提高近一個量級。
[0020]本發(fā)明通過摻雜優(yōu)化材料的載流子濃度提高SnSe材料的熱電優(yōu)值ZT，并通過單晶生長實現(xiàn)SnSe高熱電性能樣品的獲取，從而為SnSe材料的熱電器件制備及實際應用打下基礎;通過該發(fā)明獲得的摻雜SnSe單晶樣品表現(xiàn)出了極優(yōu)秀的熱電性能，且其原材料成本低、環(huán)境友好，因而具有很好的實際應用前景。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明提供的摻雜單晶SnSe的制備方法流程圖。
[0022]圖2是本發(fā)明提供的熱電性能(熱電優(yōu)值ZT)圖。
[0023]圖3是本發(fā)明提供的摻雜單晶SnSe的制備方法制備的摻雜單晶SnSe材料的整體性能曲線圖。
【具體實施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的應用原理作進一步描述。
[0026]如圖1所示:
[0027]一種摻雜SnSe單晶的制備方法，該摻雜SnSe單晶的制備方法包括以下步驟:
[0028]SlOl:將原料按照一定的原料配比配好并封在石英管中，置于用于樣品生長的爐子中；
[0029]S102:將爐子升溫至一定溫度，并保溫一段時間保證原料充分熔化；
[0030]S103:采用布立基曼法，利用爐中的溫度梯度及爐腔與原料之間的相對位置變化，使熔融原料從一端緩慢結(jié)晶并最終制得摻雜SnSe單晶。
[0031]所述SlOl中原料為Sn、Se、R，其中R為元素周期表中除Sn、Se以及惰性氣體元素以外的一種元素或多種元素的組合。
[0032]所述SlOl中原料按摩爾計配比為:Sn:R:Se = 50?99.9:0.1?50:90?110，優(yōu)選按摩爾計配比為311:1?:56 = 95?99.9:0.1?5:95?105。
[0033]所述SlOl中將原料封在石英管中時，石英管中或真空狀態(tài)或惰性氣體保護狀態(tài)；真空狀態(tài)時真空度在10—7?14Pa,惰性氣體保護狀態(tài)時壓強為10—4?105Pa。
[0034]所述SlOl中用于樣品生長的爐子，為馬弗爐、管式爐、井式爐或者單晶爐中的一種且具有溫度梯度的爐子。
[0035]所述S102中爐子所升到的溫度以及所保持的溫度為700?1200攝氏度，優(yōu)選溫度為870攝氏度?1100攝氏度;所述保溫時間為O?100小時，優(yōu)選保溫時間為0.5?5小時。
[0036]所述S103中布立基曼法為一種利用溫度梯度來使樣品的固/液分界線緩慢移動，從而促使樣品從一端到另外一端逐漸冷凝結(jié)晶的方法。
[0037]所述S103中爐內(nèi)溫度梯度為0.01?50度/厘米，優(yōu)選溫度梯度為0.2?5度/厘米。
[0038]所述S103中爐腔與原料之間的相對位置變化方法為:通過爐腔定向移動或原料定向移動或者爐腔與原料之間相背移動。
[0039]定向移動速度為0.01?10mm/小時，優(yōu)選移動速度為0.5?1mm/小時。
[0040]圖2是本發(fā)明提供的熱電優(yōu)值ZT圖(圖中實心三角符號所示即為通過本發(fā)明所制得的SnSe單晶樣品)。與目前已知的最優(yōu)秀的熱電材料相比，本發(fā)明制備的摻雜單晶材料在整個溫區(qū)內(nèi)的ZT值已顯不俗;另外本發(fā)明所涉及的摻雜SnSe其原材料在地殼中十分豐富，因而其原料成本低，且在環(huán)境友好方面遠好于其它含鉛的熱電材料。
[0041]圖3是本發(fā)明提供的摻雜單晶SnSe的制備方法制備的摻雜單晶SnSe材料的整體性能曲線圖(圖中實心三角符號所示即為通過本發(fā)明所制得的SnSe單晶樣品)，可將整體性能提高3-6倍。
[0042]以本發(fā)明所述方法制備的摻雜單晶SnSe材料尺寸大，在可用溫度范圍內(nèi)具有十分優(yōu)越的熱電性能，低溫區(qū)ZT值相對于未摻雜的樣品提高近一個量級;材料生長所需時間與其他傳統(tǒng)的多晶熱電材料相當。
[0043 ]本發(fā)明通過摻雜優(yōu)化材料的載流子濃度提高SnSe材料的熱電優(yōu)值ZT，并通過單晶生長實現(xiàn)SnSe高熱電性能樣品的獲取，從而為SnSe材料的熱電器件制備及實際應用打下基礎;通過該發(fā)明獲得的摻雜SnSe單晶樣品表現(xiàn)出了極優(yōu)秀的熱電性能，且其原材料成本低、環(huán)境友好，因而具有很好的實際應用前景。
[0044]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種摻雜SnSe單晶的制備方法，其特征在于，該摻雜SnSe單晶的制備方法包括以下步驟: 步驟一，將原料按照一定的原料配比配好并封在石英管中，置于用于樣品生長的爐子中； 步驟二，將爐子升溫至一定溫度，并保溫一段時間保證原料充分熔化； 步驟三，采用布立基曼法，利用爐中的溫度梯度及爐腔與原料之間的相對位置變化，使熔融原料從一端緩慢結(jié)晶并最終制得摻雜SnSe單晶。2.如權(quán)利要求1所述的摻雜SnSe單晶的制備方法，其特征在于，所述步驟一中原料為Sn、Se、R，原料為Sn、Se、R中的R為元素周期表中除Sn、Se以及惰性氣體元素以外的一種元素或多種元素的組合。3.如權(quán)利要求1所述的摻雜SnSe單晶的制備方法，其特征在于，所述步驟一中原料按摩爾計配比為:Sn:R:Se = 50?99.9:0.I?50:90?110，優(yōu)選按摩爾計配比為Sn:R:Se = 95?99.9:0.I?5:95?105ο4.如權(quán)利要求1所述的摻雜SnSe單晶的制備方法，其特征在于，所述步驟一中將原料封在石英管中時，石英管中或真空狀態(tài)或惰性氣體保護狀態(tài)；真空狀態(tài)時真空度在10—7?14Pa,惰性氣體保護狀態(tài)時壓強為10—4?105Pa。5.如權(quán)利要求1所述的摻雜SnSe單晶的制備方法，其特征在于，所述步驟一中用于樣品生長的爐子，為馬弗爐、管式爐、井式爐或者單晶爐中的一種且具有溫度梯度的爐子。6.如權(quán)利要求1所述的摻雜SnSe單晶的制備方法，其特征在于，所述步驟二中爐子所升到的溫度以及所保持的溫度為700?1200攝氏度，優(yōu)選溫度為870攝氏度?1100攝氏度;所述保溫時間為O?100小時，優(yōu)選保溫時間為0.5?5小時。7.如權(quán)利要求1所述的摻雜單晶SnSe的制備方法，其特征在于，所述步驟三中布立基曼法為:利用溫度梯度使樣品的固/液分界線緩慢移動，從而促使樣品從一端到另外一端逐漸冷凝結(jié)晶。8.如權(quán)利要求1所述的摻雜單晶SnSe的制備方法，其特征在于，所述步驟三中爐內(nèi)溫度梯度為0.01攝氏度?50攝氏度/厘米，優(yōu)選溫度梯度為0.2攝氏度?5攝氏度/厘米。9.如權(quán)利要求1所述的摻雜單晶SnSe的制備方法，其特征在于，所述步驟三中爐腔與原料之間的相對位置變化方法為:通過爐腔定向移動或原料定向移動或者爐腔與原料之間相對移動。10.如權(quán)利要求9所述的定向移動，其特征在于，定向移動速度為0.0Imm?10mm/小時，優(yōu)選移動速度為0.5mm?1mm/小時。
【文檔編號】C30B29/46GK105908258SQ201610479617
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】周小元, 王國玉, 彭坤嶺
【申請人】重慶大學