一种Mg-Bi基层状体块晶体材料及其生长方法

本发明涉及一种mg-bi基层状体块晶体材料及其生长方法，属于晶体生长与新材料制备技术领域。

背景技术：

热电材料可直接实现热能和电能转换，在便携设备的发电与制冷方面有重要应用。且热电器件体积小、结构简单、无移动部件、无污染、寿命长，因此被认为是一种改善能源和环境问题的有效途径。根据热力学理论，热电器件的转换效率由卡诺效率和材料本身的热电性能(热电优值)共同决定，进一步提高热电材料的热电优值，提高转换效率是目前热电材料和器件研究领域的关键。近年来，基于mg3bi2结构的zintl相化合物在室温区和中温区均表现出优异的热电性能，且材料成本低廉，极有希望替代商用bi2te3基材料进入实际应用。

然而，要解决材料的应用问题，首先要解决其制备问题，目前文献报道的各种实验室制备方法，在实际生产中均有较大的局限性，且难以获得大尺寸高质量的体块晶体材料。目前已知的制备mg-bi基体块材料的方法包括：球磨合金化法(cn101197420a；cn111349902a；cn108531795a)，sps反应制备(cn105695774a；cn106531879a)，高温贵金属坩埚固相烧结(cn109616568a；cn110257667a；cn111057884a)。上述制备方法受设备和坩埚成本的限制，无法获得低缺陷的高质量体块晶体材料，且生长放大困难；此外，文献(j.xinetal./materialstodayphysics7(2018)61-68；adv.mater.2020,32,1908218；energyenviron.sci.,2020,13,1717-1724)还报道了采用金属助溶剂法生长mg-bi基单晶的方法，但是上述方法获得的晶体受助熔剂和贵金属坩埚影响，不但尺寸较小(仅几毫米)，且生长成本高昂，难以进入实际应用。

因此，迫切需要开发一种制备工艺简单、成本低廉、可大批量制备并且所得晶体材料质量高的mg-bi基体块晶体材料的生长方法。为此，提出本发明。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种mg-bi基层状体块晶体材料及其生长方法。本发明的生长方法工艺简单、成本低廉、可放大制备晶体，采用本发明生长方法得到的mg-bi基体块晶体材料具有大尺寸，高质量以及规则的层状结构，尤其是进行晶体生长工艺的调整，可以获得层状结构宏观取向一致的大尺寸体块单晶材料。本发明所制备的mg-bi基层状体块晶体材料在室温附近表现出优异的热电性能，可直接应用于热电器件制备。

本发明的技术方案如下：

一种mg-bi基层状体块晶体材料，所述的mg-bi基层状体块晶体材料为mg3bi2晶体构型，其微观形貌为：具有规则的层状结构堆叠排列，呈现页岩状形貌；所述mg-bi基层状体块晶体材料包括多晶材料和单晶材料。

根据本发明优选的，所述mg-bi基层状体块晶体材料的组成元素还包括掺杂元素，所述掺杂元素为碱金属、碱土金属、过渡金属、稀土金属、碳族、磷族、硫族元素中的一种或两种以上的组合；进一步优选的，所述掺杂元素为ca、sb、yb、la、y、co、mn、fe、te、se中的一种或两种以上的组合；掺杂元素的引入可以改善材料的物理性能，并且掺杂元素均匀分布于晶体材料的晶格中，而非以第二相的形式析出。

根据本发明优选的，所述单晶材料的长度大于1厘米；所述单晶材料为采用坩埚下降法生长获得的体块单晶，或采用籽晶定向生长技术获得的具有任意晶面方向的单晶；

进一步优选的，采用坩埚下降法生长晶体时优化坩埚下降法的晶体生长工艺和控制层状结构排列方式得到体块单晶。

根据本发明，上述mg-bi基层状体块晶体材料的生长方法，包括步骤如下：

(1)在真空或惰性气氛保护下，将空置的生长晶体的非金属坩埚加热至预定温度；

(2)将熔化的mg-bi基晶体生长原料液注入加热至预定温度的非金属坩埚中，通过坩埚下降法或籽晶定向生长方法进行晶体的生长，得到mg-bi基层状体块晶体材料。

根据本发明优选的，步骤(1)中所述惰性气氛为氩气。

根据本发明优选的，步骤(1)中所述非金属坩埚中的非金属元素为与金属mg形成不稳定的金属间化合物，在高温条件下重新分解为元素单质的非金属元素；所述高温低于晶体的生长温度，并且高于非金属元素与mg形成的全部金属间化合物的分解温度；

进一步优选的，所述非金属元素为碳；所述的非金属坩埚为石墨坩埚，或碳作为涂覆层的复合材料坩埚，例如，涂覆碳层的石英坩埚。

所述的非金属元素为碳时，采用石墨坩埚或碳作为涂覆层的复合材料坩埚进行晶体的生长，镁与碳生成的金属间化合物有mg2c和mg2c3，前者在600℃以上分解为mg2c3和c，后者在660℃以上分解为mg和c，因此使用石墨坩埚生长mg-bi基晶体材料，需要设置预定温度高于660℃。

根据本发明优选的，步骤(1)中所述预定温度高于非金属元素与mg形成的全部金属间化合物的分解温度；进一步优选的，所述预定温度高于或等于晶体的生长温度。

根据本发明优选的，步骤(2)中所述mg-bi基晶体生长原料至少包括单质mg和单质bi。

根据本发明优选的，步骤(2)中所述mg-bi基晶体生长原料还包括一种或两种以上的掺杂元素单质，或掺杂元素、mg、bi中任意两种或多种元素形成的二元或多元相化合物，如mg3bi2、camg2bi2、mg3sb2、mgte、camg2sb2等。

根据本发明，步骤(2)中所述熔化的mg-bi基晶体生长原料液可按照下述方法之一制备得到：

a.在氩气气氛下，按照化学计量比将mg-bi基晶体生长原料混合均匀后，加热熔融即得；或，

b.在氩气气氛下，按照化学计量比将mg-bi基晶体生长原料混合均匀后，加热熔融，然后淬火得到多晶料铸锭；之后再次升温，使多晶料铸锭熔融即得。

根据本发明优选的，步骤(2)中，采用坩埚下降法进行晶体生长的工艺条件为：上温区温度为900-1100℃，下温区温度为(tmax+10)-850℃，所述tmax为非金属元素与mg形成的全部金属间化合物中分解温度最高的金属间化合物的分解温度，坩埚下降速度为0.1-30mm/h；

进一步优选的，所述非金属元素为碳，非金属坩埚为石墨坩埚或碳作为涂覆层的复合材料坩埚时，上温区温度为900-1100℃，下温区温度为670-850℃；

进一步优选的，坩埚下降速度为6-30mm/h时，得到层状体块mg-bi基多晶材料；坩埚下降速度为0.1-5mm/h时，得到层状体块mg-bi基单晶材料。

根据本发明优选的，步骤(2)中，采用籽晶定向生长方法进行晶体生长的工艺条件为：以自发成核方法生长的晶块作为籽晶，将籽晶预先置于非金属坩埚底部的籽晶袋中，而后升温至预定温度，使籽晶部分熔融，之后注入熔化的mg-bi基晶体生长原料液，进行定向晶体生长，具体的生长工艺为：设置上温区温度为900-1100℃，下温区温度为(tmax+10)-850℃，所述tmax为非金属元素与mg形成的全部金属间化合物中分解温度最高的金属间化合物的分解温度，坩埚以0.1-5mm/h速度下降来实现接种生长，得到具有和籽晶晶面方向相同的单晶材料；所述籽晶与所要生长的晶体材料的组成相同，籽晶的晶面方向可以通过生长工艺进行调整。

根据本发明，上述mg-bi基层状体块晶体材料的应用，用于制备温差发电器件或温差制冷器件。

本发明的原理如下：

本发明的mg-bi基层状体块晶体材料的生长方法的原理为：利用某些非金属元素与mg形成不稳定的金属间化合物，在高温时又重新分解为元素单质的特性，实现在特定温度以上对金属mg的高化学惰性。因而采用此类非金属元素单质作为mg-bi基晶体生长的坩埚，可以有效避免mg-bi基晶体材料对坩埚的腐蚀与粘结，达到坩埚重复利用与mg-bi基体块晶体材料高效率、低成本制备的目的。这一特点是常规的贵金属坩埚，如钽，钼，钨等，或者氧化物坩埚，如mgo，或卤化物坩埚，如mgf2等，均无法实现的。

本发明的技术特点及有益效果如下：

1、本发明采用了独特的晶体生长技术原理，利用了mg与某些非金属元素所形成的化合物在高温不稳定，重新分解为单质元素的习性，提出了一种预设空置坩埚至特定的高温以获得优异的高温惰性，而后再通过原位注入原料液进行晶体生长的方法；本发明方法克服了mg金属对绝大数坩埚易腐蚀的问题，无需使用贵金属材质坩埚，如ta、mo、w等，且坩埚与晶体不粘结，实现了坩埚的重复利用与体块晶体高效率、低成本制备，不仅简化了晶体加工步骤，节约了成本，还避免了坩埚对晶体的杂质污染，极大提升了晶体质量和生长效率。

2、与常规的高能球磨、sps反应烧结或高温固相烧结方法相比，本发明的方法获得的晶体材料具有更高的晶体质量，表现在不存在包裹物或析出第二相，组成元素分布均匀；由于助熔剂法存在固液相的组分偏析，因此无法进行精确组分控制，而与助熔剂法相比，本发明的生长方法可以通过元素投料比控制mg-bi基层状体块晶体材料的组分，与助熔剂法生长的晶体有显著的区分；本发明方法获得的晶体材料其形状、尺寸和组分由晶体生长过程控制，可获得厘米尺寸以上的大体块晶体，通过调节工艺还能方便获取任意晶面取向的单晶。

3、本发明制备得到的mg-bi基层状体块晶体材料具有规则的层状结构，呈现特定方向(通常是晶体的ab平面方向)的层状排列，并且通过改变生长工艺，可以获得完整的体块单晶材料，其粉末xrd和劳埃衍射呈现出特定晶面取向的单晶衍射花纹；还可以采用籽晶定向生长技术，获得其他晶面方向的mg-bi基体块单晶材料。

4、本发明制备得到的mg-bi基层状体块晶体材料，具有独特的“页岩状”形貌，可以减小晶界电阻，提高迁移率，有助于热电性能提高，因此本发明的材料具有优异的热电性能；同时本发明得到的mg-bi基层状体块晶体材料具有高密度和高机械强度，无需后续成型即可应用于器件制备。

附图说明

图1为实施例1制备的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块多晶材料的照片。

图2为实施例1制备的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块多晶材料的xrd谱图。

图3为实施例1制备的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块多晶材料的扫描电镜图片。

图4为实施例1制备的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块多晶材料的mapping图片。

图5为实施例1制备的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块多晶材料的热电性能测试曲线。

图6为实施例2制备的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块单晶材料的照片。

图7为实施例2制备的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块单晶材料的xrd谱图。

图8为实施例2制备的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块单晶材料的热电性能测试曲线。

图9为实施例3制备得到的mg3.2bi0.99sbte0.01层状体块多晶材料的xrd谱图。

图10本实施例4制备得到的mg3.2bi1.29sb0.7te0.01层状体块多晶材料的xrd谱图。

图11本实施例5制备得到的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块单晶材料解离面的xrd谱图。

图12为对比例1制备的mg3.2sb1.5bi0.49te0.01多晶材料的扫描电镜图片(左)以及实施例1制备的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块多晶材料的扫描电镜图片(右)。

图13为对比例2制备的mg-bi基单晶材料的图片(左)以及实施例2制备的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块单晶材料的图片(右)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，同样应理解，以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述实例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定与下文示例的具体数值。

同时下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1：mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块多晶材料制备

(1)在ar气氛围的手套箱中，按mg3.2bi1.49sb0.5te0.01各原子的化学计量比，称各元素的单质原料于ta坩埚中；另取石墨坩埚倒置于ta坩埚上方，所述石墨坩埚与ta坩埚口对口放置，将上述两个坩埚在ar气氛保护下，升温至1000℃，使得原料充分反应和熔融，然后淬火得到与ta坩埚紧密粘连的多晶料铸锭。

(2)将步骤(1)中的ta坩埚与石墨坩埚位置互换，使ta坩埚位于石墨坩埚在上方，放入下降炉中，在ar气氛保护下升温至1000℃，即空置的石墨坩埚升温至预定温度，同时多晶料铸锭熔融，使得熔化的原料液在高温下由ta坩埚注入空置的石墨坩埚中，设置上温区温度为1000℃，下温区温度为850℃，下降速度为12mm/h，进行晶体的生长，冷却后分离坩埚即可得到块状目标产物mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块多晶材料。

本实施例制备得到的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块多晶材料的照片如图1所示，从图1中可以看出，所得晶体具有较大尺寸，其长度可达4cm。本实施例制备得到的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块多晶材料的xrd图如图2所示，从图2中可以看出，所得晶体材料具有mg3bi2晶体构型，所得材料为多晶材料，其扫描电镜图片如图3所示，从图3中可以看出，具有独特的“页岩状”的微观形貌，其mapping图片如图4所示，表明其组成元素分布均匀，无第二相析出。

本实施例制备得到的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块多晶材料的热电性能测试曲线如5所示，从图5中可以看出，所得mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块多晶材料具有优异的热电性能。

实施例2：mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块单晶材料的制备

(1)在ar气氛围的手套箱中，按mg3.2bi1.49sb0.5te0.01各原子的化学计量比，称各元素的单质原料于ta坩埚中；另取石墨坩埚倒置于ta坩埚上方，所述石墨坩埚与ta坩埚口对口放置，将上述两个坩埚在ar气气氛保护下，升温至1000℃，使得原料充分反应和熔融，然后淬火得到与ta坩埚紧密粘连的多晶料铸锭。

(2)将步骤(1)中的ta坩埚与石墨坩埚位置互换，使ta坩埚位于石墨坩埚在上方，放入下降炉中，在ar气氛保护下升温至1000℃，即空置的石墨坩埚升温至预定温度，同时多晶料铸锭熔融，使得熔化的原料液在高温下由ta坩埚注入空置的石墨坩埚中，设置上温区温度为1000℃，下温区温度为850℃，下降速度为0.6mm/h，进行单晶生长，冷却后分离坩埚即可得到块状目标产物mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块单晶材料。

本实施例制备得到的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块单晶材料的照片如图6所示，从图1中可以看出，所得晶体具有较大尺寸，其长度可达4.5cm，晶体形状由石墨坩埚形状决定。图7为mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块单晶材料解离面的xrd谱图，表明其规则的晶面排列方向与独特的衍射pattern。

本实施例制备得到的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块单晶材料的热电性能测试曲线如图8所示，从图8中可以看出，其在室温附近热电性能优异。

实施例3：mg3.2bi0.99sbte0.01层状体块多晶材料制备

(1)在ar气氛围的手套箱中，按mg3.2bi0.99sbte0.01各原子的化学计量比，称各元素的单质原料于ta坩埚中；另取石墨坩埚倒置于ta坩埚上方，所述石墨坩埚与ta坩埚口对口放置，将上述两个坩埚在ar气气氛保护下，升温至1050℃，使得原料充分反应和熔融，然后淬火得到与ta坩埚紧密粘连的多晶料铸锭。

(2)将步骤(1)中的ta坩埚与石墨坩埚位置互换，使ta坩埚位于石墨坩埚在上方，放入下降炉中，在ar气氛保护下升温至1050℃，即空置的石墨坩埚升温至预定温度，同时多晶料铸锭熔融，使得熔化的原料液在高温下由ta坩埚注入空置的石墨坩埚中，设置上温区温度为1050℃，下温区温度为840℃，下降速度为12mm/h，进行晶体的生长，冷却后分离坩埚即可得到块状目标产物mg3.2bi0.99sbte0.01层状体块多晶材料。

图9为本实施例制备得到的mg3.2bi0.99sbte0.01层状体块多晶材料的xrd图，由图9中可以看出所得晶体为纯相。

实施例4：mg3.2bi1.29sb0.7te0.01层状体块多晶材料制备

(1)在ar气氛围的手套箱中，按mg3.2bi1.29sb0.7te0.01各原子的化学计量比，称各元素的单质原料于ta坩埚中；将ta坩埚放入气氛炉中加热至1050℃，保温24h，冷却得到多晶铸锭。将铸锭放于改造后的布里奇曼炉中，升温至1050℃使铸锭融化，该布里奇曼炉经过重新设计搭建，增加了高温二次加料装置(参考专利cn102312289a)，可以通过耐高温管路在高温下加料。

(2)在氩气气氛保护下，将石墨坩埚放入改造后的布里奇曼炉中，空置加热至1050℃，通过加料装置将熔化的原料液注入石墨坩埚中，设置上温区温度为1050℃，下温区温度为840℃，下降速度为15mm/h，进行晶体生长，冷却后分离坩埚即可得到块状目标产物mg3.2bi1.29sb0.7te0.01层状体块多晶材料。

图10为本实施例制备得到的mg3.2bi1.29sb0.7te0.01层状体块多晶材料的xrd图，由图10中可以看出晶体不含杂相。

实施例5：采用籽晶定向方法制备mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块单晶

(1)通过自发成核方法生长得到[00l]方向的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01晶块，加工获得籽晶，将籽晶放入带有籽晶袋的石墨坩埚中；

(2)在ar气氛围的手套箱中，按mg3.2bi1.49sb0.5te0.01各原子的化学计量比，称各元素的单质原料于ta坩埚中；将ta坩埚放入气氛炉中加热至1000℃，保温24h，冷却得到多晶铸锭。将铸锭放于改造后的布里奇曼炉中，升温至1000℃使铸锭融化，该布里奇曼炉经过重新设计搭建，增加了高温二次加料装置(参考专利cn102312289a)，可以通过耐高温管路在高温下加料。

(3)将步骤(1)中带有籽晶袋的石墨坩埚放入下降炉中mg3.2bi1.49sb0.5te0.01晶体结晶点的位置(该处温度为晶体的生长温度)，籽晶部分熔融，通过加料装置将熔化的原料液注入空置的石墨坩埚中，设置上温区温度为1000℃，下温区为850℃，下降速度为0.6mm/h，进行晶体的生长，冷却后分离坩埚即可得到块状目标产物mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块单晶材料。

图11为本实施例制备得到的mg3.2bi1.49sb0.5te0.01层状体块单晶材料解离面的xrd谱图，表明其具有良好的单晶质量。

对比例1

一种mg-bi基材料的制备方法，包括步骤如下：

采用球磨与放电等离子烧结(sps)相结合的方法制备，参考文献nanoenergy52(2018)246-255，具体制备方法为：将单质mg、bi、sb、te按照mg3.2sb1.5bi0.49te0.01的化学计量比称重，将原料装进一个不锈钢球磨罐中，在ar气氛中球磨10h，然后在873k、50mpa条件下，用放电等离子烧结法快速烧结，得到mg3.2sb1.5bi0.49te0.01多晶材料

本对比例制备的mg3.2sb1.5bi0.49te0.01多晶材料的扫描电镜图片如图12(左)所示，明其晶粒尺寸在纳米级，层状结构不清晰；图12(右)为本发明实施例1制备的多晶材料的微观形貌为：“页岩状”层状结构的形貌，两者有明显区分，而本发明实施例制备的材料结构有利于减小晶界电阻，提高迁移率，有助于热电性能提高。

对比例2

一种mg-bi基材料的制备方法，包括步骤如下：

采用助熔剂法制备，参考文献energyenviron.sci.,2020,13,1717-1724，具体制备方法为：将单质mg、bi、sb按照摩尔比mg:bi:sb＝11:3:1的比例称重在ta管中，并添加约0.2mol％的钇作为掺杂剂，温度程序如下：首先将样品加热至900℃，保温48小时后然后以2℃/h的速率缓慢冷却至700℃，之后自然冷却至室温，得到mg3bi2-mg3sb2单晶材料。

图13左为本对比例制备的单晶的照片，表明其尺寸为毫米级，体积较小，图13右本发明实施例2制备的单晶材料图片，从上可以看出，本发明方法制备的单晶不仅尺寸较大，且晶体形状、尺寸、晶面方向可控，特别是具有较高的晶体质量，可直接应用于热电器件制备。