СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2015 года по МПК H01L35/16 

Изобретение относится к области технологии приборостроения, используется для преобразования тепловой энергии в электрическую, в частности, при изготовлении термоэлектрических материалов (ТЭМ), применяемых в термоэлектрических устройствах (ТЭУ).

Известен способ получения ТЭМ на основе теллурида висмута, при котором для повышения добротности материала, связанный с созданием термоэлектрических веществ монокристалл теллурида висмута подвергают воздействию гидростатического давления [см. А.С. СССР №882361, MПК⁹ H01L 35/16, опубл. 30.04.91].

Недостатками прототипа являются сложность применения и низкая технологичность при изготовлении ТЭМ.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ получения ТЭМ на основе теллурида висмута, включающий синтез твердых растворов, гомогенизацию отжигом исходного материала, запаянного в ампулу [см. А.С. №2470414, МПК⁹ H01L 35/34, опубл. 20.12.12].

Недостатками прототипа являются сложность технологического процесса и трудоемкость при изготовлении ТЭМ.

Задачей предлагаемого технического решения является упрощение технологии изготовления и улучшение термоэлектрических характеристик материала на основе халькогенидов меди.

Решение технического результата достигается тем, что в способе получения термоэлектрического материала, включающем синтез твердых растворов, гомогенизацию отжигом исходного материала, запаянного в ампулу, согласно изобретению синтез халькогенида меди производят выдержкой при температуре на 30-50°С выше температуры его плавления, а гомогенизацию осуществляют отжигом халькогенида меди при температуре 600-800°С, после чего халькогенид меди подвергают воздействию облучения высокоэнергетичными электронами со средней энергией электронов 7-9 МэВ в диапазоне доз 1.2·10¹⁶-3.2·10¹⁸ эл/см² при комнатной температуре, затем вновь осуществляют отжиг при температуре 400-600°С.

В качестве халькогенидов меди используют теллурид меди.

В качестве халькогенидов меди используют селенид меди.

В качестве халькогенидов меди используют сульфид меди.

Данный способ получения термоэлектрического материала позволит упростить технологию изготовления и улучшить термоэлектрические характеристики материала, тем самым повысить его добротность.

Сущность изобретения поясняется таблицами сравнительных характеристик материалов (значение добротности материалов приведено в относительных единицах - отношение добротности после и до воздействия облучения при различных температурах отжига).

Способ осуществляют следующим образом.

Способ получения термоэлектрического материала на основе халькогенида меди включал синтез твердого раствора с плавлением взятых в стехиометрическом соотношении исходных компонентов: меди и халкогена в запаянных ампулах. Запаянную ампулу помещали в печь и нагревали до температуры, превышающей температуру плавления синтезируемого соединения на 30-50°С.

Подъем температуры проводили медленно, с выдержкой около часа (50-60 с) при температурах начала реакции между исходными компонентами. При синтезе сульфида меди выдержку производили при температуре 170-180°С, селенида меди - 350-390°С, теллурида меди - 450-460°С. После синтеза осуществляли гомогенизацию отжигом в запаянных ампулах при температуре 600-800°С в течение 7-9 часов.

Полученные образцы халькогенидов меди подвергали воздействию высокоэнергетичными электронами на ускорителе со средней энергией электронов 7-9 МэВ. Дозы облучения меняли в диапазоне доз 1.2·10¹⁶-3.2·10¹⁸ эл/см². Контроль параметров образцов проводили до воздействия облучения и после обработки высокоэнергетичными электронами. Температура при облучении не превышала комнатной, что достигалось постоянным обдувом образцов воздухом. Для стабилизации параметров исследуемых образцов вновь проводили высокотемпературный отжиг при 400-600°С, результаты экспериментов представлены в таблице.

При воздействии на образцы халькогенидов меди дозами высокоэнергетичных электронов менее 1.2·10¹⁶ эл/см² и более 3.2·10¹⁸ эл/см² и температур отжига менее 400°С и более 600°С термоэлектрические характеристики материала ухудшаются и, следовательно, снижается добротность (см. таблицу).

Оптимальным является воздействие облучение исходного материала высокоэнергетичными электронами при дозе 1·10¹⁷ эл/см² и температуре отжига 500°С.

Использование предлагаемого технического решения позволит по сравнению с прототипом улучшить технологичность и увеличить добротность халькогенидов меди, что может быть использовано при создании эффективных ТЭУ. Влияние облучения высокоэнергетичными электронами на добротность халькогенидов меди позволит управлять свойствами материалов халькогенидов меди.

Таблица Сравнительные характеристики халькогенида меди «Способ получения термоэлектрического материала» Температура отжига (°С) 400 Доза облучения (эл/см²) 1,1·10¹⁶ 1,2·10¹⁶ 1,3·10¹⁶ 1·10¹⁷ 3·10¹⁸ 3,2·10¹⁸ 3,3·10¹⁸ Добротность материала 1,0 1,05 1,1 1,2 1,05 1,05 1,0   Температура отжига (°С) 500 Доза облучения (эл/см²) 1,1·10¹⁶ 1,2·10¹⁶ 1,3·10¹⁶ 1·10¹⁷ 3·10¹⁸ 3,2·10¹⁸ 3,3·10¹⁸ Добротность материала 1,0 1,1 1,15 1,4 1,14 1,1 1,0   Температура отжига (°C) 600 Доза облучения (эл/см²) 1,1·10¹⁶ 1,2·10¹⁶ 1,3·10¹⁶ 1·10¹⁷ 3·10¹⁸ 3,2·10¹⁸ 3,3·10¹⁸ Добротность материала 1,0 1,0 1,1 1,15 1,1 1,0 1,0

Использование: для изготовления термоэлектрических материалов (ТЭМ), применяемых в термоэлектрических устройствах (ТЭУ). Сущность изобретения заключается в том, что способ включает синтез твердых растворов, гомогенизацию отжигом исходного материала, запаянного в ампулу, причем синтез халькогенида меди производят выдержкой при температуре на 30-50°С выше температуры его плавления, а гомогенизацию осуществляют отжигом халькогенида меди при температуре 600-800°С, после чего халькогенид меди подвергают воздействию облучения высокоэнергетичными электронами со средней энергией электронов 7-9 МэВ в диапазоне доз 1.2·10¹⁶-3.2·10¹⁸ эл/см² при комнатной температуре, затем вновь осуществляют отжиг при температуре 400-600°С. Технический результат: обеспечение возможности упрощения технологии изготовления и улучшения термоэлектрических характеристик материала на основе халькогенидов меди. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения термоэлектрического материала на основе халькогенидов, включающий синтез твердых растворов, гомогенизацию отжигом исходного материала, запаянного в ампулу, отличающийся тем, что синтез исходного материала, в качестве которого используют халькогенид меди, производят выдержкой при температуре на 30-50°С выше температуры его плавления, а гомогенизацию осуществляют отжигом халькогенида меди при температуре 600-800°С, после чего халькогенид меди подвергают воздействию облучения высокоэнергетичными электронами со средней энергией электронов 7-9 МэВ в диапазоне доз 1.2·10¹⁶-3.2·10¹⁸ эл/см² при комнатной температуре, затем вновь осуществляют отжиг при температуре 400-600°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве халькогенидов меди используют теллурид меди.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве халькогенидов меди используют селенид меди.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве халькогенидов меди используют сульфид меди.