用于熱電組件的塊體PbTe與電極Ni的固態(tài)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(fā)電機(jī)的效率由材料的熱電性能決定的，與熱電材料的熱電優(yōu)值，以及與電極的接觸情況有關(guān)。鉛硫?qū)倩锏臒犭姴牧?，特別是PbTe，在500-900K的溫度范圍內(nèi)性能良好。我們成功地將塊狀PbTe粘合到Ni電極上，形成擴(kuò)散阻擋層，避免了熱電臂與電極在工作溫度下的連續(xù)反應(yīng)。我們改進(jìn)了常用的等離子體燒結(jié)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(kuò)散層，僅由碲化鎳構(gòu)成。這種將PbTe與電極粘合的新技術(shù)對(duì)于熱電材料是有益的，因?yàn)橐阎邷貢?huì)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(jié)構(gòu)，化學(xué)組成和結(jié)晶學(xué)等信息。發(fā)現(xiàn)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(shí)，然后置于冷水中萃火。并在823K退火72小時(shí)，研磨等到p型PbTe，然后在793K、40Mpa壓力、真空中燒結(jié)得到直徑12mm、1.5mm厚的測(cè)試樣品。

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

使用德國(guó)Linseis LSR-3測(cè)試燒結(jié)前后PbTe以及PbTe/Ni的塞貝克系數(shù)以及電阻率，Linseis LFA1000閃光法測(cè)試熱擴(kuò)散系數(shù)，并求得熱導(dǎo)率。SEM中觀察形貌，并使用EBSD分析。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.燒結(jié)前PbTe與燒結(jié)后PbTe/Ni的電導(dǎo)率以及電阻系數(shù)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(xù)5分鐘；（c，d）20Mpa 623K持續(xù)15分鐘?？芍?，持續(xù)時(shí)間對(duì)于實(shí)際結(jié)果影響非常大。

圖3.（a）20Mpa 648K持續(xù)5分鐘的SEM形貌圖；（b）PID燒結(jié)電流、溫度、設(shè)定溫度曲線；（c）SEM放大圖，擴(kuò)散層厚度為4.5um；（d）A點(diǎn)到B點(diǎn)原子分布

圖4.（a）單斜晶Ni₃Te₂晶體結(jié)構(gòu)；（b）對(duì)應(yīng)演變四方晶體

（c）EBSD對(duì)比度面掃圖；（d）使用（b）的虛擬四邊形結(jié)構(gòu)的晶界和孿晶的EBSD相分布圖

【結(jié)論】

       使用改進(jìn)的方法在普通的SPS設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了塊狀p型單相PbTe和Ni電極的成功粘合。在燒結(jié)過程中消除了石墨模具對(duì)燒結(jié)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(xù)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(duì)稱性，表明存在具有四方對(duì)稱性的虛擬母晶，類似于高溫四方晶Ni_2.86Te₂。