用于熱電組件的塊體PbTe與電極Ni的固態粘合

4 位作者，包括：Xavier Ferreres、 Azdiar Gazder、 Andrew Manettas、 Sima Aminorroaya Yamini

ACS Appl. Energy Mater.,

DOI: 10.1021/acsaem.7b00010

Publication Date (Web): 16 Jan 2018

【摘要】

       熱電發電機的效率由材料的熱電性能決定的，與熱電材料的熱電優值，以及與電極的接觸情況有關。鉛硫屬化物的熱電材料，特別是PbTe，在500-900K的溫度范圍內性能良好。我們成功地將塊狀PbTe粘合到Ni電極上，形成擴散阻擋層，避免了熱電臂與電極在工作溫度下的連續反應。我們改進了常用的等離子體燒結法，讓總電流都通過Ni和PbTe以及相互接觸 的界面。形成厚度約為4.5μm的薄擴散層，僅由碲化鎳構成。這種將PbTe與電極粘合的新技術對于熱電材料是有益的，因為已知高溫會損壞塊狀熱電材料。使用配有電子背散射衍射分析的掃描電子顯微鏡分析界面微觀結構，化學組成和結晶學等信息。發現在Ni / PbTe接觸處的相是β₂ Ni_3±xTe₂，類似有缺陷的Cu₂Sb型的基本四方晶體。

【成果介紹】

       采用高純度的Pb、Te、Na在真空石英管中升溫到1373K，恒溫10小時，然后置于冷水中萃火。并在823K退火72小時，研磨等到p型PbTe，然后在793K、40Mpa壓力、真空中燒結得到直徑12mm、1.5mm厚的測試樣品。

測試樣品與Ni電極按照下圖放好，使用等離子燒結（小于100mA、100Hz）得到終成品。

使用德國Linseis LSR-3測試燒結前后PbTe以及PbTe/Ni的塞貝克系數以及電阻率，Linseis LFA1000閃光法測試熱擴散系數，并求得熱導率。SEM中觀察形貌，并使用EBSD分析。

【圖文導讀】

圖1.燒結前PbTe與燒結后PbTe/Ni的電導率以及電阻系數隨溫度變化曲線。

圖2.PbTe/Ni界面的SEM形貌圖,其中（a，b）為20Mpa 623K持續5分鐘；（c，d）20Mpa 623K持續15分鐘。可知，持續時間對于實際結果影響非常大。

圖3.（a）20Mpa 648K持續5分鐘的SEM形貌圖；（b）PID燒結電流、溫度、設定溫度曲線；（c）SEM放大圖，擴散層厚度為4.5um；（d）A點到B點原子分布

圖4.（a）單斜晶Ni₃Te₂晶體結構；（b）對應演變四方晶體

（c）EBSD對比度面掃圖；（d）使用（b）的虛擬四邊形結構的晶界和孿晶的EBSD相分布圖

【結論】

       使用改進的方法在普通的SPS設備上實現了塊狀p型單相PbTe和Ni電極的成功粘合。在燒結過程中消除了石墨模具對燒結電流的干擾。與使用粉末PbTe和石墨模具的大約27μm界面層相比，獲得了薄至4.5μm的連續且無缺陷的界面層。界面層僅由單斜晶β₂相Ni_3±xTe₂組成。使用EBSD分析觀察到的一些晶粒的假對稱性，表明存在具有四方對稱性的虛擬母晶，類似于高溫四方晶Ni_2.86Te₂。