用于热电组件的块体PbTe与电极Ni的固态粘合

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】

       热电发电机的效率由材料的热电性能决定的，与热电材料的热电优值，以及与电极的接触情况有关。铅硫属化物的热电材料，特别是PbTe，在500-900K的温度范围内性能良好。我们成功地将块状PbTe粘合到Ni电极上，形成扩散阻挡层，避免了热电臂与电极在工作温度下的连续反应。我们改进了常用的等离子体烧结法，让总电流都通过Ni和PbTe以及相互接触 的界面。形成厚度约为4.5μm的薄扩散层，仅由碲化镍构成。这种将PbTe与电极粘合的新技术对于热电材料是有益的，因为已知高温会损坏块状热电材料。使用配有电子背散射衍射分析的扫描电子显微镜分析界面微观结构，化学组成和结晶学等信息。发现在Ni / PbTe接触处的相是β₂ Ni_3±xTe₂，类似有缺陷的Cu₂Sb型的基本四方晶体。

【成果介绍】

       采用高纯度的Pb、Te、Na在真空石英管中升温到1373K，恒温10小时，然后置于冷水中萃火。并在823K退火72小时，研磨等到p型PbTe，然后在793K、40Mpa压力、真空中烧结得到直径12mm、1.5mm厚的测试样品。

测试样品与Ni电极按照下图放好，使用等离子烧结（小于100mA、100Hz）得到终成品。

使用德国Linseis LSR-3测试烧结前后PbTe以及PbTe/Ni的塞贝克系数以及电阻率，Linseis LFA1000闪光法测试热扩散系数，并求得热导率。SEM中观察形貌，并使用EBSD分析。

【图文导读】

图1.烧结前PbTe与烧结后PbTe/Ni的电导率以及电阻系数随温度变化曲线。

图2.PbTe/Ni界面的SEM形貌图,其中（a，b）为20Mpa 623K持续5分钟；（c，d）20Mpa 623K持续15分钟?？芍?，持续时间对于实际结果影响非常大。

图3.（a）20Mpa 648K持续5分钟的SEM形貌图；（b）PID烧结电流、温度、设定温度曲线；（c）SEM放大图，扩散层厚度为4.5um；（d）A点到B点原子分布

图4.（a）单斜晶Ni₃Te₂晶体结构；（b）对应演变四方晶体

（c）EBSD对比度面扫图；（d）使用（b）的虚拟四边形结构的晶界和孪晶的EBSD相分布图

【结论】

       使用改进的方法在普通的SPS设备上实现了块状p型单相PbTe和Ni电极的成功粘合。在烧结过程中消除了石墨模具对烧结电流的干扰。与使用粉末PbTe和石墨模具的大约27μm界面层相比，获得了薄至4.5μm的连续且无缺陷的界面层。界面层仅由单斜晶β₂相Ni_3±xTe₂组成。使用EBSD分析观察到的一些晶粒的假对称性，表明存在具有四方对称性的虚拟母晶，类似于高温四方晶Ni_2.86Te₂。