Bi2Te3基制冷晶棒加工廢粉料的回收與熱電性能的優(yōu)化

韓學(xué)武，樊希安，張城誠，蔡新志，項求勝，胡杰

(1. 武漢科技大學(xué) 鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，武漢 430081；2. 武漢科技大學(xué) 省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，武漢 430081)

Bi2Te3基制冷晶棒加工廢粉料的回收與熱電性能的優(yōu)化

韓學(xué)武1,2，樊希安1,2，張城誠1,2，蔡新志1,2，項求勝1,2，胡杰1,2

(1. 武漢科技大學(xué) 鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室，武漢 430081；2. 武漢科技大學(xué) 省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，武漢 430081)

針對半導(dǎo)體制冷行業(yè)P型Bi2Te3基制冷晶棒的生產(chǎn)與加工過程中產(chǎn)生的廢粉料，經(jīng)過真空煅燒、1次熔煉及2次熔煉除去粉料中的雜質(zhì)，獲得Bi2Te3基粉末，然后加壓燒結(jié)，制備P型Bi2Te3基塊體材料，測定材料的熱電性能，并通過在除雜后的Bi2Te3基粉末中加入單質(zhì)Sb和Te，進行成分優(yōu)化。結(jié)果表明，廢粉料的回收率達(dá)到85.73%以上，采用廢粉料制備的P型塊體Bi0.53Sb1.3Te3合金在室溫下的電導(dǎo)率僅為331.79 S/cm，熱電優(yōu)值為0.75。在除雜后的廢粉料中加入單質(zhì)Sb和Te后制備的Bi0.36Sb1.64Te3合金在室溫下的電導(dǎo)率達(dá)到970 S/cm，熱電優(yōu)值為1.13，350 K下的熱電優(yōu)值為1.23，并且在300～470 K溫度范圍內(nèi)的熱電優(yōu)值都超過1.0，性能超過了采用高純原材料生產(chǎn)的P型區(qū)域熔煉產(chǎn)品，能夠滿足生產(chǎn)企業(yè)的要求。

半導(dǎo)體制冷；Bi2Te3基合金；加工廢料；整體回收；熱電材料；熱電性能

熱電材料是一種先進的能量轉(zhuǎn)換材料，可實現(xiàn)熱能與電能的直接轉(zhuǎn)換，其熱電器件具有環(huán)保、無噪聲、微型化、易控制、可靠性高和壽命長等優(yōu)點[1-3]。Bi2Te3基化合物為室溫附近性能最優(yōu)的熱電材料，廣泛應(yīng)

用于半導(dǎo)體制冷和低溫余熱溫差發(fā)電領(lǐng)域。目前商業(yè)上多采用單軸向生長的方式規(guī)?；a(chǎn)Bi2Te3基熱電材料，如布里奇曼法[4]和區(qū)域熔煉法[5]，以求獲得具有優(yōu)良熱電性能的Bi2Te3基化合物單晶或取向多晶。雖然產(chǎn)品沿晶體生長方向的熱電性能非常優(yōu)異，但由于其機械加工性能較差，在后續(xù)的切片、熱噴涂、電鍍、切粒及點錫等一系列工序中產(chǎn)生大量廢料，如廢碎片、廢粒子和廢粉，致使材料利用率不足 50%[6]。目前，對于半導(dǎo)體制冷晶棒加工廢料的回收，多采用濕法冶金技術(shù)對有價元素進行單獨分離提純，分多步驟和多工序逐一將單個單質(zhì)元素進行分離提純。如蔣王思等[7]采用破碎研磨、堿熔、氧化、浸出及中和等工藝得到TeO2，然后用堿溶解造液得到亞碲酸鈉(Na2TeO3)溶液，最后電積得到單質(zhì)Te。該工藝生產(chǎn)周期長，也忽略了對Bi，Sb和Se等金屬的回收處理，并且其中亞碲酸鈉為劇毒品，易對人體造成傷害。陳佩環(huán)[8]利用Bi，Sb和Te氧化/還原電極電位的差別，采用氯鹽浸出工藝，控制氧化劑的加入量、控制適當(dāng)?shù)乃岫?、溫度等，逐步分離Te，Bi和Sb。該工藝同樣存在周期長、成本高、環(huán)境負(fù)荷大等缺點。針對傳統(tǒng)工藝的一系列缺陷，本研究提出整體回收加工廢料的思想。由于加工廢料仍然是以Bi2Te3基合金為主，其它雜質(zhì)主要來自線切割和后續(xù)加工過程中帶來的污染，如切割液和合金元素的氧化物等，因此，在不改變原有主體成分的前提下，經(jīng)過真空煅燒、1次熔煉與2次熔煉，除去廢粉料中的雜質(zhì)，獲得Bi2Te3基粉料，然后采用通電加壓燒結(jié)法獲得P型塊體材料，測定材料的熱電性能，并通過在除雜后的廢粉料中加入單質(zhì) Sb和Te，進行成分優(yōu)化，獲得性能優(yōu)良的P型塊體材料。研究結(jié)果對于資源化處理半導(dǎo)體制冷行業(yè)P型Bi2Te3基制冷晶棒的生產(chǎn)與加工過程中產(chǎn)生的廢粉料具有重要意義。

1 實驗

1.1 Bi2Te3基廢粉料的除雜與塊體材料制備

本實驗所用P型Bi2Te3基廢粉料由河南鴻昌電子有限公司提供。先將廢粉料真空干燥，去除其中的水分，然后進行適當(dāng)研磨使其分散。將粉末放入管式電阻爐中，抽真空，在773 K下煅燒30 min，期間不斷抽出爐中氣體，使其保持負(fù)壓。將煅燒后的粉末真空封裝在石英玻璃管中，在983 K下熔煉3 h[9]，得到Bi2Te3基合金棒。用超聲處理去除熔煉合金棒表面的雜質(zhì)，然后進行2次熔煉，熔煉溫度及時間與第1次熔煉相同。將2次熔煉后的合金棒振動破碎3 min，取破碎的粉末裝入石墨模具中進行通電加壓燒結(jié)，獲得直徑為20 mm、長度為13 mm的P型Bi2Te3基合金塊體材料。燒結(jié)設(shè)備為通電加壓燒結(jié)機，燒結(jié)壓力為63 MPa，燒結(jié)溫度為723 K，燒結(jié)時間為15 min，升溫速率為50 K/min[10-11]。廢粉料的回收率為2次熔煉后的合金棒質(zhì)量與初始廢粉料質(zhì)量的比值。

采用PHILIPS Xpert-Pro型X射線衍射儀對回收的粉末進行物相分析，Cu Kα靶，λ=0.154 18 nm；利用荷蘭制造的FEI Novanano400場發(fā)射掃描電鏡對燒結(jié)后的P型Bi2Te3基合金塊體進行能譜分析，得到塊體材料的成分，在此基礎(chǔ)上設(shè)計 3種目標(biāo)成分：Bi0.36Sb1.64Te3，Bi0.4Sb1.6Te3和Bi0.44Sb1.56Te3，對比目標(biāo)成分與除雜后的廢粉料成分，向粉料中添加 Bi，Sb和Te單質(zhì)原料，加壓燒結(jié)后，得到以上3種目標(biāo)成分的塊體材料。

1.2 性能測試

將圓柱形P型Bi2Te3基合金塊體材料樣品沿徑向方向切割成尺寸為3 mm×3 mm×15 mm的長條形試樣，利用實驗室自主開發(fā)的電阻率/塞貝克測試系統(tǒng)(與日本Ulvac-Riko公司的ZEM-3電性能測試設(shè)備之間的誤差在3%以內(nèi))進行電阻率和塞貝克系數(shù)測試；將燒結(jié)樣品沿軸向切割成直徑為12.7 mm、厚度為2 mm的圓片，利用德國生產(chǎn)的LFA-457激光熱導(dǎo)儀進行熱導(dǎo)率測試；將燒結(jié)樣品沿徑向切割成 4 mm×4 mm，厚度小于 0.5 mm的薄片，用韓國的 Ecopia，HMS-5000全自動變溫霍爾效應(yīng)儀進行載流子濃度測試；樣品密度采用阿基米德法測試。試樣所有電性能與熱性能的測試方向一致，皆為徑向方向。

2 結(jié)果與分析

2.1 廢粉料的除雜

圖1所示為初始廢粉料的XRD譜和SEM形貌以及能譜分析。從圖1(a)可知廢粉料由Bi0.4Sb1.6Te3，TeO2和Sb2O3組成。從圖1(c)看出，廢粉料的主體元素仍然是Bi，Sb和Te，同時還有雜質(zhì)元素C和O，雜質(zhì)元素一部分可能來自于切割液，另一部分來自主體元素的氧化。圖1(d)和(e)說明粉料中確實存在Te和Sb的氧化物。

綜上所述，初始廢料中的主要雜質(zhì)為切割液殘留物(有機物)、Sb的氧化物及少量Te的氧化物。由于有機物在隔絕空氣的條件下加熱分解成氣體[12]，因此本文采用管式爐對初始粉料進行真空煅燒，先期去除這些易揮發(fā)的有機物，在實驗過程中觀察到真空壓力表的示數(shù)明顯增大。

圖1 原始Bi2Te3基廢粉料的XRD譜、SEM形貌和能譜分析Fig.1 XRD pattern, SEM image and EDS analysis of initial Bi2Te3based waste powders

將真空煅燒后的粉末真空封裝熔煉，1次熔煉結(jié)束后石英管壁有一層黑色的物質(zhì)，圖2(a)和(b)所示分別為石英管壁黑色物質(zhì)的 SEM 照片和能譜分析，可看出黑色物質(zhì)中O及Sb的含量較高。將1次熔煉后所得合金進行破碎、燒結(jié)，燒結(jié)體的斷口形貌和能譜分析如圖2(c)和(d)所示。由圖可見，燒結(jié)樣品中有很多孔洞，且仍然含有C元素和O元素，但相較于初始廢粉料，C元素和O元素的含量已明顯降低。這說明經(jīng)過真空煅燒與1次熔煉可部分去除初始廢粉料中的含碳化合物及以Sb2O3為代表的氧化物。銻的氧化物能夠被去除可能是由于真空熔煉過程中由于其較高的飽和蒸氣壓(2150 Pa，710 ℃)[13]，Sb2O3揮發(fā)成氣體，而在降溫冷卻的過程中，Sb2O3由于較高的凝固點(656℃[14])首先凝固(Bi2Te3基合金的凝固點為 585 ℃左右[15])。由于在冷卻過程中管壁的溫度相對較低且管壁利于Sb2O3的結(jié)晶形核，故Sb2O3附著在管壁從而與Bi2Te3基合金分離。TeO2及C能夠去除是因為它們的密度(分別為 5.49～6.02 g/cm3及 1.8 g/cm3)均小于Bi2Te3基合金的密度(7.642 g/cm3)，且它們的熔點(分別為733 ℃及3 500 ℃)高于Bi2Te3基合金的熔點，所以在熔煉時TeO2及C以固態(tài)渣的形式浮于液態(tài)合金表面并最終在冷卻的過程中與 Bi2Te3基合金分離。O的去除是隨著氧化物的去除而去除的。

圖2 初始Bi2Te3基廢粉料1次熔煉時的管壁殘留物和熔煉粉末燒結(jié)體的形貌與能譜分析Fig.2 SEM images and EDS analysis after the first smelting

為進一步提高Bi2Te3基合金的純度，對合金進行第2次熔煉。圖3所示為初始廢粉料及1次熔煉合金與2次熔煉所得合金錠坯的宏觀形貌?？梢姵跏紡U粉料經(jīng)過煅燒、1次熔煉和2次熔煉等一系列除雜工藝后，獲得表面光亮、純度較高的Bi2Te3基合金。廢粉料的收得率為85.73%。將2次熔煉后的合金破碎成粉料，然后加壓燒結(jié)，燒結(jié)塊體的 SEM 形貌及能譜圖分別如圖4(a)和(b)所示。由圖4(a)可看到典型的Bi2Te3基合金層片狀結(jié)構(gòu)，圖4(b)中已看不到明顯的C和O的峰，說明合金的純度較高，雜質(zhì)被成功去除；合金的成分為 Bi11Sb26.9Te62.1，簡化后可表示為 Bi0.53Sb1.3-Te3，相較于性能較好的 Bi0.52Sb1.48Te3合金區(qū)域熔煉樣，該合金出現(xiàn)少量Sb和Te元素的缺失。

2.2 成分調(diào)整和性能優(yōu)化

對2次熔煉后的燒結(jié)樣進行電性能測試，其室溫下的電導(dǎo)率僅為331.79 S/cm。為了提高用Bi2Te3基廢粉料制備的 Bi0.53Sb1.3Te3合金(編號為 1#合金)的電導(dǎo)率，分別按照目標(biāo)成分 Bi0.36Sb1.64Te3，Bi0.4Sb1.6Te3和Bi0.44Sb1.56Te3，在除雜后的合金粉末中加入單質(zhì)Sb和Te，制備上述3種目標(biāo)成分的Bi2Te3基合金。合金粉末、單質(zhì)Sb和Te的用量如表1所列。從表1看出，回收廢料的加入量在67.3%以上。圖5所示為合金的XRD譜，各樣品的衍射峰均與標(biāo)準(zhǔn)卡片對應(yīng)(JCPDS 89-2009)，且沒有雜峰出現(xiàn)，說明物相為純的 Bi2Te3基合金。

圖3 初始廢粉料與1次熔煉合金及2次熔煉合金的宏觀形貌Fig.3 Photos of initial waste powders (a), the first smelting alloy (b) and the second smelting alloy (c)

圖4 2次熔煉后廢粉料燒結(jié)塊體的SEM形貌與能譜圖Fig.4 SEM image (a) and EDS analysis (b) of the sintered bulks after the second smelting

表1 Bi2Te3基合金的成分優(yōu)化方案Table 1 Optimization scheme of Bi2Te3based alloy g

圖6(a)所示為不同成分的Bi-Sb-Te合金的電導(dǎo)率隨溫度的變化曲線?？梢钥闯?，在廢粉料中加入單質(zhì)Sb和Te，合金的電導(dǎo)率大幅提升，其中Bi0.36Sb1.64Te3在室溫下的電導(dǎo)率達(dá)到970 S/cm。由公式σ=neμ可知，電導(dǎo)率σ與載流子濃度n及載流子遷移率μ呈正相關(guān)。在BixSb2-xTe3合金中存在以下反位缺陷[16]：

圖5 Bi-Sb-Te合金的XRD譜Fig.5 XRD patterns of Bi-Sb-Te alloys samples

式中：VTe為Te空位；TeiB＇和TebS＇分別為Bi和Sb的反位缺陷；VBi(Sb)為Bi(Sb)空位；h為空穴。之所以能產(chǎn)生上面的反位缺陷是因為Bi，Sb，Te三者的電負(fù)性相差較小(χSb=1.9，χBi=1.8，χTe=2.1)[17]，Bi—Te鍵及Sb—Te鍵極性較低。相對而言，Sb—Te鍵的極性(Δχ=0.2)弱于Bi—Te鍵(Δχ=0.3)，因此式(2)更容易發(fā)生。因此，隨Sb含量增加，載流子濃度(空穴)增加，從而導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率增加，故Bi0.36Sb1.64Te3合金的電導(dǎo)率最大。從圖 6(a)可見，合金的電導(dǎo)率隨溫度升高而逐漸降低，表現(xiàn)出類金屬特性。這是因為隨溫度升高，晶格振動加強，載流子的弛豫時間(τ)變短，由公式μ=qτ/m*(式中：q為電荷量；m*為載流子有效質(zhì)量)可知遷移率μ 降低[18]，因此電導(dǎo)率降低。

圖6(b)所示為Bi-Sb-Te合金的電動勢率隨溫度的變化關(guān)系。1#合金的電動勢率較高，室溫下為 272 μV/K；隨Sb含量降低，合金的電動勢率降低，同時，電動勢率受溫度的影響減小。電動勢率的理論計算公式可為[19]:

式中：e是電子電量；kB是玻爾茲曼常數(shù)；h為普朗克常量；m*為載流子有效質(zhì)量；n為載流子濃度；T為開爾文溫度?？梢婋妱觿萋逝c載流子濃度之間呈負(fù)相關(guān)。由于隨 Sb含量增加，載流子濃度增加，故而電動勢率降低。電動勢率隨溫度的變化趨勢可由能帶理論解釋。Sb2Te3的禁帶寬度為0.3 eV，Bi2Te3的禁帶寬度為 0.13 eV[20]，Sb2Te3發(fā)生本征激發(fā)所需的能量更高，所以對于贗二元合金B(yǎng)i2Te3-Sb2Te3，隨Sb含量增加，禁帶寬度增大，本征激發(fā)溫度升高。從圖6(b)可看出，Bi0.36Sb1.64Te3，Bi0.4Sb1.6Te3和 Bi0.44Sb1.56Te3的電動勢率的轉(zhuǎn)變溫度(本征激發(fā)點)分別為440，350和320 K。

圖6 Bi-Sb-Te合金的電導(dǎo)率(a)、電動勢率(b)、功率因子(c)及熱導(dǎo)率(d)隨溫度的變化關(guān)系Fig.6 Temperature dependence on electrical conductivity (a), seebeck coefficient (b), power factor (c) and thermal conductivity (d) of Bi-Sb-Te alloys

圖 6(c)所示為 Bi-Sb-Te合金的功率因子(power factor，PF)隨溫度的變化。功率因子用公式PF=σS2(式中：σ和S分別為合金的電導(dǎo)率和電動勢率)計算。由圖可見用廢粉料制備的 Bi0.53Sb1.3Te3合金在室溫下的功率因子僅為2.46 mW/(m·K2)，而Bi0.36Sb1.64Te3的功率因子提高到3.7 mW/(m·K2)。

圖6(d)所示為合金的熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系。從圖中可見，隨溫度升高所有樣品的熱導(dǎo)率均先減小后增大；在高溫段，隨 Sb含量增加，熱導(dǎo)率增大的趨勢減緩。這是由于在本征激發(fā)前，隨溫度升高，晶格振動加強，對聲子的散射增強，晶格熱導(dǎo)率降低導(dǎo)致總熱導(dǎo)率降低；本征激發(fā)后，產(chǎn)生大量的電子-空穴對[21]，傳導(dǎo)大量熱，從而使總熱導(dǎo)率增大。同時禁帶寬度不同導(dǎo)致本征激發(fā)所需的能量不同，即發(fā)生本征激發(fā)的溫度不同。禁帶寬度越大，本征激發(fā)的溫度越高，故在高溫段本征激發(fā)對熱導(dǎo)率的貢獻越小。

圖7所示為Bi-Sb-Te合金的熱電優(yōu)值(ZT)隨溫度的變化。熱電優(yōu)值由公式Z=σS2T/κ計算。從圖中可看出，室溫下，1#合金的熱電優(yōu)值為0.75，Bi0.36Sb1.64Te3合金的熱電優(yōu)值為1.13，在350K獲得最大熱電優(yōu)值1.23。隨Sb含量增加，材料熱電優(yōu)值受溫度的影響減小(主要是受熱導(dǎo)率變化的影響)。Bi0.36Sb1.64Te3的熱電優(yōu)值在整個溫度區(qū)間內(nèi)均超過 1.0，完全符合商業(yè)應(yīng)用的要求。

圖7 Bi-Sb-Te合金的熱電優(yōu)值隨溫度的變化Fig.7 Temperature dependence on the figure of merit

3 結(jié)論

1) 采用整體回收方式對P型Bi2Te3基廢粉料進行處理，真空煅燒去除廢粉料中的有機物及部分 Sb的氧化物，2次熔煉去除其中的TeO2，Sb2O3及C，O雜質(zhì)，獲得純度較高的Bi2Te3基合金棒。

2) 由回收粉料制備的 P型塊體 Bi0.53Sb1.3Te3合金，在室溫下的電導(dǎo)率僅為331.79 S/cm，熱電優(yōu)值為0.75。在除雜后的廢粉料中加入單質(zhì)Sb和Te后制備的 Bi0.36Sb1.64Te3合金，在室溫下的電導(dǎo)率達(dá)到 970 S/cm，熱電優(yōu)值為1.13，350 K下的熱電優(yōu)值為1.23，并且在 300～470 K溫度范圍內(nèi)的熱電優(yōu)值都超過了1.0，性能超過了采用高純原材料生產(chǎn)的P型區(qū)域熔煉產(chǎn)品。

3) 廢粉料的回收率為 85.73%以上，且整個廢料回收過程簡單高效、經(jīng)濟環(huán)保，具有較大的經(jīng)濟價值及實用價值。

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(編輯 湯金芝)

Recycling and thermoelectric properties optimization of processing waste powders of Bi2Te3based refrigerating crystal bar

HAN Xuewu1,2, FAN Xi’an1,2, ZHANG Chengcheng1,2, CAI Xinzhi1,2, XIANG Qiusheng1,2, HU Jie1,2
(1. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China; 2. The State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

Starting from the processing waste powders of Bi2Te3based refrigerating crystal bar, the Bi2Te3-based materials were obtained by impurity removal treatment of vacuum-calcination, primary smelting and secondary smelting. Subsequently, P-type Bi2Te3based bulks were prepared by compression sintering and their thermoelectric properties were investigated in detail. And the component optimization was carried out by adding elementals Sb and Te. The results show that the recovery rate of waste powder can reach 85.73%. The conductivity and the figure of merit (ZT) value of P-type Bi0.53Sb1.3Te3bulks with no composition optimization are only 331.79 S/cm and 0.75 at room temperature, respetively. The conductivity of P-type Bi0.36Sb1.64Te3bulks by adding elementals Sb and Te can reach 970 S/cm. The figure of merit (ZT) values reach 1.13 and 1.23 at room temperature and 350 K, respectively. The ZT value is over 1.0 in the whole temperature range of 300-470 K, which exceeds the properties of P-type zone melting products prepared from high purity raw materials and can meet the production requirements of enterprises.

semiconductor refrigeration; Bi2Te3based compound; processing waste; recycling; thermoelectric materials; thermoelectric properties

TB64

A

1673-0224(2017)01-41-08

國家自然科學(xué)基金面上項目(11074195, 51674181)；武漢市黃鶴英才項目；湖北省教育廳重點項目(D20151103)

2016-02-25；

2016-10-21

樊希安，教授，博士。電話：13628661586；E-mail: groupfxa@163.com