一种掺杂单晶SnSe的制备方法
【专利摘要】本发明公开一种掺杂SnSe单晶的制备方法，该方法为：将配好的原料封于石英管中,并置于一具有温度梯度的炉子内；将炉温升至一定温度，并在该温度下保温一段时间保证原料充分熔化；然后采用布立基曼法,利用炉中的温度梯度及炉腔与原料之间的相对位置变化，使熔融原料从一端缓慢结晶并最终制得掺杂SnSe单晶。本发明制备的掺杂SnSe单晶尺寸大、热电性能优越，其低温区ZT值相对于未掺杂的样品提高近一个量级；其原材料成本低、环境友好，因而具有很好的实际应用前景。
【专利说明】
一种掺杂单晶SnSe的制备方法
技术领域
[0001]本发明属于单晶制备技术领域，尤其涉及一种掺杂单晶SnSe的制备方法。
【背景技术】
[0002]人类社会的发展伴随着能源消耗的增加，化石燃料作为不可再生能源正日益减少，开发新的可再生能源己成为21世纪的热门问题。热电材料(温差电材料)是一种利用固体中载流子和声子的输运及其相互作用，实现热能和电能之间直接相互转换的功能材料。由热电材料制作的温差发电和制冷器件具有无污染、无噪声、无磨损、体积小、反应快、易于维护、安全可靠等优点，有着极其广泛的应用前景。此外，热电转换技术作为一种新型的清洁能源技术可以极大地解决人类面临的环境污染问题，尤其将其应用于工业废热的利用以及太阳光热的复合发电，对于提高能源的利用率、发展循环经济、建设节约型社会意义重大。
[0003]然而目前热电材料普遍存在的问题是其热电优值ZT不高。对热电材料的性能进行优化是一种提高其能源转换效率的重要手段。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种掺杂单晶SnSe的制备方法，旨在解决目前热电材料普遍存在其热电优值ZT不高，原材料成本高，能源转换效率不理想的问题。
[0005]本发明是这样实现的，
[0006]一种掺杂SnSe单晶的制备方法，该掺杂SnSe单晶的制备方法包括以下步骤:
[0007]步骤一，将原料按照一定的原料配比配好并封在石英管中，置于用于样品生长的炉子中；
[0008]步骤二，将炉子升温至一定温度，并保温一段时间保证原料充分熔化；
[0009]步骤三，采用布立基曼法，利用炉中的温度梯度及炉腔与原料之间的相对位置变化，使熔融原料从一端缓慢结晶并最终制得掺杂SnSe单晶。
[0010]进一步，所述步骤一中原料为Sn、Se、R，原料为Sn、Se、R中的R为元素周期表中除Sn、Se以及惰性气体元素以外的一种元素或多种元素的组合。
[0011 ] 进一步，所述步骤一中原料按摩尔计配比为:Sn:R: Se = 50?99.9:0.1?50:90?110，优选按摩尔计配比为511:1?:56 = 95?99.9:0.1?5:95?105。
[0012]进一步，所述步骤一中将原料封在石英管中时，石英管中或真空状态或惰性气体保护状态;真空状态时真空度在10—7?14Pa,惰性气体保护状态时压强为1-4?105Pa。
[0013]进一步，所述步骤一中用于样品生长的炉子，为马弗炉、管式炉、井式炉或者单晶炉中的一种且具有温度梯度的炉子。
[0014]进一步，所述步骤二中炉子所升到的温度以及所保持的温度为700?1200摄氏度，优选温度为870摄氏度?1100摄氏度;所述保温时间为O?100小时，优选保温时间为0.5?5小时。
[0015]进一步，所述步骤三中布立基曼法为一种利用温度梯度来使样品的固/液分界线缓慢移动，从而促使样品从一端到另外一端逐渐冷凝结晶的方法。
[0016]进一步，所述步骤三中炉内温度梯度为0.0I?50度/厘米，优选温度梯度为0.2?5
度/厘米。
[0017]进一步，所述步骤三中炉腔与原料之间的相对位置变化方法为:通过炉腔定向移动或原料定向移动或者炉腔与原料之间相背移动。
[0018]进一步，定向移动速度为0.01?10mm/小时，优选移动速度为0.5?1mm/小时。
[0019]本发明提供的掺杂单晶SnSe具有十分优越的热电性能，即具有优秀的热电优值和优秀的平均热电优值，本发明制得的单晶与未掺杂单晶相比，可将整体性能提高3-6倍，并且材料生长所需时间与其他传统的多晶热电材料相当(大约一周)，整体热电性能也是顶尖的，本发明制得的掺杂单晶SnSe材料在可用范围内的平均热电优值ZT具有优越性;本发明提供的掺杂SnSe单晶尺寸大，热电性能优越，其低温区ZT值相对于未掺杂的样品提高近一个量级。
[0020]本发明通过掺杂优化材料的载流子浓度提高SnSe材料的热电优值ZT，并通过单晶生长实现SnSe高热电性能样品的获取，从而为SnSe材料的热电器件制备及实际应用打下基础;通过该发明获得的掺杂SnSe单晶样品表现出了极优秀的热电性能，且其原材料成本低、环境友好，因而具有很好的实际应用前景。
【附图说明】
[0021]图1是本发明提供的掺杂单晶SnSe的制备方法流程图。
[0022]图2是本发明提供的热电性能(热电优值ZT)图。
[0023]图3是本发明提供的掺杂单晶SnSe的制备方法制备的掺杂单晶SnSe材料的整体性能曲线图。
【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025]下面结合附图对本发明的应用原理作进一步描述。
[0026]如图1所示:
[0027]一种掺杂SnSe单晶的制备方法，该掺杂SnSe单晶的制备方法包括以下步骤:
[0028]SlOl:将原料按照一定的原料配比配好并封在石英管中，置于用于样品生长的炉子中；
[0029]S102:将炉子升温至一定温度，并保温一段时间保证原料充分熔化；
[0030]S103:采用布立基曼法，利用炉中的温度梯度及炉腔与原料之间的相对位置变化，使熔融原料从一端缓慢结晶并最终制得掺杂SnSe单晶。
[0031]所述SlOl中原料为Sn、Se、R，其中R为元素周期表中除Sn、Se以及惰性气体元素以外的一种元素或多种元素的组合。
[0032]所述SlOl中原料按摩尔计配比为:Sn:R:Se = 50?99.9:0.1?50:90?110，优选按摩尔计配比为311:1?:56 = 95?99.9:0.1?5:95?105。
[0033]所述SlOl中将原料封在石英管中时，石英管中或真空状态或惰性气体保护状态；真空状态时真空度在10—7?14Pa,惰性气体保护状态时压强为10—4?105Pa。
[0034]所述SlOl中用于样品生长的炉子，为马弗炉、管式炉、井式炉或者单晶炉中的一种且具有温度梯度的炉子。
[0035]所述S102中炉子所升到的温度以及所保持的温度为700?1200摄氏度，优选温度为870摄氏度?1100摄氏度;所述保温时间为O?100小时，优选保温时间为0.5?5小时。
[0036]所述S103中布立基曼法为一种利用温度梯度来使样品的固/液分界线缓慢移动，从而促使样品从一端到另外一端逐渐冷凝结晶的方法。
[0037]所述S103中炉内温度梯度为0.01?50度/厘米，优选温度梯度为0.2?5度/厘米。
[0038]所述S103中炉腔与原料之间的相对位置变化方法为:通过炉腔定向移动或原料定向移动或者炉腔与原料之间相背移动。
[0039]定向移动速度为0.01?10mm/小时，优选移动速度为0.5?1mm/小时。
[0040]图2是本发明提供的热电优值ZT图(图中实心三角符号所示即为通过本发明所制得的SnSe单晶样品)。与目前已知的最优秀的热电材料相比，本发明制备的掺杂单晶材料在整个温区内的ZT值已显不俗;另外本发明所涉及的掺杂SnSe其原材料在地壳中十分丰富，因而其原料成本低，且在环境友好方面远好于其它含铅的热电材料。
[0041]图3是本发明提供的掺杂单晶SnSe的制备方法制备的掺杂单晶SnSe材料的整体性能曲线图(图中实心三角符号所示即为通过本发明所制得的SnSe单晶样品)，可将整体性能提高3-6倍。
[0042]以本发明所述方法制备的掺杂单晶SnSe材料尺寸大，在可用温度范围内具有十分优越的热电性能，低温区ZT值相对于未掺杂的样品提高近一个量级;材料生长所需时间与其他传统的多晶热电材料相当。
[0043 ]本发明通过掺杂优化材料的载流子浓度提高SnSe材料的热电优值ZT，并通过单晶生长实现SnSe高热电性能样品的获取，从而为SnSe材料的热电器件制备及实际应用打下基础;通过该发明获得的掺杂SnSe单晶样品表现出了极优秀的热电性能，且其原材料成本低、环境友好，因而具有很好的实际应用前景。
[0044]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种掺杂SnSe单晶的制备方法，其特征在于，该掺杂SnSe单晶的制备方法包括以下步骤: 步骤一，将原料按照一定的原料配比配好并封在石英管中，置于用于样品生长的炉子中； 步骤二，将炉子升温至一定温度，并保温一段时间保证原料充分熔化； 步骤三，采用布立基曼法，利用炉中的温度梯度及炉腔与原料之间的相对位置变化，使熔融原料从一端缓慢结晶并最终制得掺杂SnSe单晶。2.如权利要求1所述的掺杂SnSe单晶的制备方法，其特征在于，所述步骤一中原料为Sn、Se、R，原料为Sn、Se、R中的R为元素周期表中除Sn、Se以及惰性气体元素以外的一种元素或多种元素的组合。3.如权利要求1所述的掺杂SnSe单晶的制备方法，其特征在于，所述步骤一中原料按摩尔计配比为:Sn:R:Se = 50?99.9:0.I?50:90?110，优选按摩尔计配比为Sn:R:Se = 95?99.9:0.I?5:95?105ο4.如权利要求1所述的掺杂SnSe单晶的制备方法，其特征在于，所述步骤一中将原料封在石英管中时，石英管中或真空状态或惰性气体保护状态；真空状态时真空度在10—7?14Pa,惰性气体保护状态时压强为10—4?105Pa。5.如权利要求1所述的掺杂SnSe单晶的制备方法，其特征在于，所述步骤一中用于样品生长的炉子，为马弗炉、管式炉、井式炉或者单晶炉中的一种且具有温度梯度的炉子。6.如权利要求1所述的掺杂SnSe单晶的制备方法，其特征在于，所述步骤二中炉子所升到的温度以及所保持的温度为700?1200摄氏度，优选温度为870摄氏度?1100摄氏度;所述保温时间为O?100小时，优选保温时间为0.5?5小时。7.如权利要求1所述的掺杂单晶SnSe的制备方法，其特征在于，所述步骤三中布立基曼法为:利用温度梯度使样品的固/液分界线缓慢移动，从而促使样品从一端到另外一端逐渐冷凝结晶。8.如权利要求1所述的掺杂单晶SnSe的制备方法，其特征在于，所述步骤三中炉内温度梯度为0.01摄氏度?50摄氏度/厘米，优选温度梯度为0.2摄氏度?5摄氏度/厘米。9.如权利要求1所述的掺杂单晶SnSe的制备方法，其特征在于，所述步骤三中炉腔与原料之间的相对位置变化方法为:通过炉腔定向移动或原料定向移动或者炉腔与原料之间相对移动。10.如权利要求9所述的定向移动，其特征在于，定向移动速度为0.0Imm?10mm/小时，优选移动速度为0.5mm?1mm/小时。
【文档编号】C30B29/46GK105908258SQ201610479617
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】周小元, 王国玉, 彭坤岭
【申请人】重庆大学