热电材料研究进展
热电材料研究进展
颜艳明1，应鹏展1，2,张晓军1，崔鑫3
（1中国矿业大学材料科学与工程学院，江苏徐州，221116 2中国矿业大学应用技术学院，江苏徐州，221008 3河南永煤集团城郊煤矿，河
南永城，476600，）
摘要：本文介绍了热电材料的种类及各种热电材料的ZT值，提高热电材料热电性能的方法及热电材料在温差发电和制冷方面的应用，并对其发展前景进行了展望。
关键词：热电材料；热导率；载流子
Progress of thermoelectric materials
Yanyanming1,Yingpengzhan1,2，zhangxiaojun1,cuixin3
(1:Shool of Materials, CUMT,Xuzhou , Jiangsu, 221116 2: School of applied Technology,CUMT,xuzhou,Jiangsu,2211163: Yong suburban coal mine in Henan Coal Group,yongcheng,Henan,476600) Abstract: This paper is described the types of thermoelectric materials and every thermoelectric materials’ ZT value,the way to improve the thermoelectric materials’ performance of thermal power and the application of thermoelectric materials’ on thermal power generation and refrigeration, also give its future
development prospects.
Key words: Thermoelectric materials; Thermal conductivity; Carrier
1、引言
在以石油价格暴涨为标志的“能源危机”之后,世界上又相继出现以臭氧层破坏和温室气体效应为首的“地球危机”和“全球变暖危机”。各国科学家都在致力于寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式, 以达到合理有效利用工农业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等能量的目的。于是,从上个世纪九十年代以来, 能源转换材料（热电材料）的研究成为材料科学的一个研究热点。尤其是近几年, 国际上关于热电材料的研究更是非常火热。目前，热电材料的研究主要集中在三个领域：室温以下的低温领域、从室温到700K的中温领域和700K 以上的高温领域。
热电材料（又称温差电材料）是利用固体内部载流子和声子的输运及其相互作用来实现将热能和电能之间相互转换的半导体功能材料，其具有无机械可动部分、运行安静、小型轻便及对环境无污染等优点，在温差发电和制冷领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。
较好的热电材料必须具有较高的Seebeck系数，从而保证有较明显的热电效应，同时应有低的热导率，使能量能保持在接头附近。另外还要求热阻率较小，使产生的焦耳热量小。目前限制热电材料得以大规模应用的问题是其热电转换效率太低。热电材料的热电转换效率可用无量纲热电优值—ZT值来表征，ZT= S2Tσ/λ, ZT越大, 热电材料的性能越
好，这里的T 为绝对温度，Z=S 2σ/λ，式中S 为材料的热电系数，即材料的Seebeck 系数，σ为材料的电导率，S 2σ又称为材料的功率因子，它决定了材料的电学性能。由Z 的表达式可以看出，要提高材料的热电转换效率，应选用同时具有较大功率因子和尽可能低热导率的热电材料。影响热电材料的优值Z 的3个参数Seebeck 系数、热导率、电导率都是温度的函数。同时优值Z 又敏感地依赖于材料种类、组分、掺杂水平和结构。因此每种热电材料都有各自的适宜工作温度范围。
2、热电材料的种类
半导体金属合金型热电材料
金属材料的热电效应非常小,除在测温方面的应用外,其他没有实际的应用价值。直到20世纪50年代,人们发现小带隙(small band gap)掺杂半导体比金属大很多热电效应,研制温差电源和热电制冷器已具有现实意义[1]。这类材料以Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ族及稀土元素为主。目前,研究较为成熟并且已经应用于热电设备中的材料主要是金属化合物及其固溶体合金如Bi 2Te 3/Sb 2Te 3、PbTe 、SiGe 、CrSi 等,这些材料都可以通过掺杂分
别制成P 型和n 型材料。有报道称在实验室得到的最高ZT 值达到 (AgPb m SbTe 2+m , 800K) [2] 到(Bi 2Te 3/Sb 2Te 3 超晶格, 300K) [3]。通过调整
成分、掺杂和改进制备方法可以进一步提高这些材料的ZT,通过化学气相沉积（ CVD ）过程得到综合两维Sb 2Te 3/Bi 2Te 3超晶格薄膜的ZT 高达
[4]，ZT 的研究还在继续进行[5]。但是这些热电材料存在制备条件要求较高,需在一定的气体保护下进行,不适于在高温下工作以及含有对人体有害的重金属等缺点。
方钴矿(Skutterudite)热电材料
Skutterudide 是CoSb 3的矿物名称，名称为方钴矿，是一类通式为AB 3的化合物（其中A 是金属元素，如Ir 、Co 、Rh 、Fe 等；B 是V 族元素，如As 、Sb 、P 等）。二元Skutterudite 化合物是窄带隙半导体，其带隙仅为几百毫电子伏，同时此类化合物具有较高的载流子迁移率和中等大小的反Seebeek 系数，但热导率比传统的热电材料要高.此类化合物的显着特点是，外来小原子可以插入晶体结构的孔隙，在平衡位置附近振动，从而可以有效地散射热声子，大大降低晶格热导率[]。最初的研究集中在等结的IrSb 3, RhSb 3和CoSb 3等二元合金[],其中CoSb 3的热性能
相比较而言最好。尽管二元合金有良好的电性能,但其热电数据受到热导率的限制。因此对多元合金的研究得到了重视，实验得到P 型方钴矿化合物ZT 值在620K 时达到[10]。目前进一步提高Skutterudite 材料热电性能的途径有两条：（l ）通过各种拾杂调节电学性能，（2）引入额外的声子散射降低晶格热导率。
金属硅化物型热电材料
金属硅化物是指元素周期表中过渡元素与硅形成的化合物,如FeSi 2,MnSi 2,CrSi 2等。由于这类材料的熔点很高,因此很适合于温差发
电应用。对于上述几类硅化物,人们研究较多的是具有半导体特征的β-FeSi 3,它具有高抗氧化性、无毒、价格低廉等优点。此外,通过向
β-FeSi 3中掺入不同杂质,可制成P 型或N 型半导体,是适合于在
200—900℃温度范围内工作的热电材料[]。但由于传统的FeSi 3无量纲优
值ZT 较低,人们寻找新的硅化物取代它，Jun- ichi Tani 制得的其ZT
在864K 时达到[13]，另一种较有前景的是高硅化物HMS,这实际上是一种由四个相,即Mn 11Si 19,Mn 15Si 24,Mn 26Si 45和Mn 27Si 47组成的非均匀硅化锰材
料。高硅化物的温差热电优值具有各向异性的特征,目前实验得到的无量纲优值已与SiGe 合金相当（SiGe 合金的热电优值在1000K 时可以达到[14]），具有广泛地应用前景。
氧化物型热电材料
氧化物型热电材料的特点是可以在氧化气氛里高温下长期工作,大多数无毒性、无环境污染,且制备简单,制样时在空气中可直接烧结,无需抽真空,成本费用低,因而备受人们的关注[15]。目前研究发现，层状过渡金属氧化物是一种很有前途的热电材料,其典型代表为NaCo 2O 4化合物。NaCo 2O 4化合物具有层状结构[16]，在温下, NaCo 2O 4具有较高的热电势,低
的电阻率和低的晶格热导率。NaCoO 2的ZT 值在900K 时达到[].尽管
NaCo 2O 4具有良好的热电性能,但温度超过1073K 时,由于Na 的挥发限制
了该材料的应用, 这加速了其它层状结构的过渡金属氧化物作为热电材料的研究,例如,具有简单立方结构的三维过渡金属氧化物NiO 也可作为很好的热电材料,掺杂Na 和Li 的NiO 在1260K 的高温具有很高的热电性能[19]。
准晶材料
准晶材料由于具有非常低的热导率，类似于玻璃，因此在热电材料领域具有相当大的吸引力。同时由于它的Seebeck 系数较低，热电优值也相对较低，如果能找到合适的方法来明显增大Seebeek 系数也可望获得较高的热电优值。准晶材料具有5重对称性，这是晶体和非晶体都不允
许存在的特性，它的费米表面具有大量的小缺口[20]，可利用温度变化式缺陷破坏这些小缺口，进而改变费米面的形状，从而达到提高Seebeck 系数的效果。通过掺杂第四种元素，Seebeck系数也有所改观。另外准晶材料具有不寻常的宽温度带适应性，这种适应性与声子辅助跃迁传导有关，并使Seebeek系数和电导率随温度升高而增大，而热导率则随温度升高而平级增加，结果使温差电优值显着增加。
此外，准晶材料还具有一些优良的物理性能，如耐腐蚀、抗氧化、高硬度，较强的热稳定性和很好的发光特性等。准晶材料可望发展成一类很有前途的新型热电材料。
功能梯度材料(FGM)
功能梯度热电材料有两种。一种是载流子浓度梯度热电材料；另一种是叠层梯度热电材料。在不同的温度下，热电材料具有不同的最佳载流子浓度值，利用热电材料适用的温度范围内，适当控制载流子浓度，使其沿材料连续变化，以保证整体材料在相应的温度区间都有最佳的载流子浓度，这样就能充分利用材料使用环境的热能源，在较宽的温度范围内得到较高的热电性能指数，从而提高材料在其适用温度区域内的转换效率。利用梯度化技术，可以将不同热电材料制备成功能梯度材料(FGM)，即把适用于不同温度区域的热电材料通过复合成梯度材料，使单一材料在各自对应的温度区域内都保持最高的热电转换效率，从而充分发挥不同材料的作用，进一步拓宽了热电材料的适用温度区域，可以得到更高的热电转换效率。等人曾做过SiC-Si 功能梯度材料方面的研究[21],发现在室温下梯度化的高密度SiC 陶瓷其最优值比非梯度化的
SiC 陶瓷最优值高108倍。
梯度热电材料的每层之间只有真正实现连续过渡，才能消除梯度层之间的界面，对于分段的FGM，各个单体材料一般通过插人过渡层的方法来避免或减少因结合界面的存在引起的电导率下降及热导率升高等问题，因此发展材料的制备技术是研制梯度热电材料的关键。
低维热电材料
理论研究及实验结果都表明，降低材料维数可以提高热电材料的ZT值[22]。近年来热电工作者对热电薄膜作了很多研究,量子阱、量子点超晶格结构的热电优值可以达到2. 4以上[23]。原因在于降低维数:(1)提高了费米能级附近的态密度，从而提高了Seebeck系数;(2)由于量子约束、调制掺杂和古掺杂效应，提高了载流子的迁移率;(3)更好地利用多能谷半导体费米面的各向异性;(4)增加了势阱壁表面声子的边界散射，降低了晶格热导率。
Hicks等[24,25]首先研究了超晶格量子阱结构对热电效应的影响，认为使用超晶格可以获得高的热电优值。由于超晶格量子阱的超周期性和量子禁闭效应，使载流子的能带分裂为许多子能带，产生不同于常规半导体的输运特性，如其电子和空穴的迁移率都比块体材料大得多。超晶格量子阱可以提高ZT值。Koga等研究认为，通过减小维数可以使费米能级附近的电子态密度有很大的提高。超晶格多量子阱(MQW)的载流子输运
使ZT值提高。等对PdSe
x Te
1-x
/PdTe量子点超晶格材料进行了研究，结
果表明，其热电优值可达相同体材料的2倍。Dresselhaus 的近似计算表明，随量子阱阱宽的减小，ZT值单调增大[26]。Venkatasubramian人
的研究结果表明Bi 2Te 3/Sb 2Te 3的p 型超晶格结构的ZT 可达到,n 型可达
到[27]。
由于量子线可以比量子阱能进一步提高能态密度，对更低维度结构理论的计算结果表明，纳米线可能比超晶格有更好的热电性能[28]。浙江大学赵新兵教授首次[29]采用水热法合成了Bi Z Te 3化合物纳米管和纳米囊
(直径为100nm)，将其加人到N 型BiZT 伪热电材料中形成纳米复合材料，与传统区熔法制得的材料相比，其电导率得到明显的提高，同时热导率明显降低，ZT 值达到了以上，超过了Tritt 等[30]报道的商用热电器件的最高ZT 值，该成果为高性能热电材料的研究开拓了新的研究方向。
目前有关纳米线提高热电性能的研究刚起步，能证明纳米线比超晶格或块体更能提高热电性能的实验不多。
纳米复合结构热电材料是指在热电材料中掺入纳米尺寸的杂质相，如掺入纳米颗粒或引入纳米尺寸孔洞等。在热电半导体材料中电量的载体是电子和空穴，而热量是由晶格振动和声子传输决定。在传输过程中，电子(空穴)有2个特征长度数值，即波长A 和平均自由程L 。当半导体的内部结构尺寸和L 尺寸相近时，强烈的边界效应就会发生。当尺寸大约为声子平均自由程的纳米颗粒分散在合金中，声子被散射的频率增加，导致热导率降低。而电子的平均自由程则比纳米颗粒的尺寸大得多，因此掺入的纳米相颗粒对电导率的影响很小。同理，当材料引入纳米尺寸的孔洞时也能达到类似的效果。Worlock [31]最早研究了纳米颗粒加入后的声子散射作用。近几年的一些研究发现，在热电材料中加入化学性
质稳定的纳米颗粒确实可以提高热电材料的ZT值，如加入体积比为2%--10%、直径为40nm的BN纳米颗粒，能使SiGe合金的热导率降低40%。
新近美国密歇根大学的Mercouri G Kanatzidis[32]利用了原位析出法,有效的将纳米颗粒引入到热电材料中, 获得了最高Z T值可达 (温度
800 K) 的AgPb
m Sb Te
2 + m
热电材料。
目前对纳米复合热电材料的研究较少，研究工作还有待于进一步完善，在纳米颗粒分散、制备工艺及特性研究等方面都有许多工作要做。
3、提高热电材料性能的途径
由热电发电和制冷理论可知,材料的热电性能的优劣取决于其热电优
值Z(Z=S2σ/λ)。因此,提高热电材料的性能取决于以下三个方面。
寻找具有较高Seebeck系数的材料
材料的Seebeck系数与材料的晶体结构、化学组成及能带结构等有关。利用理论计算和实验的方法寻找高热电灵敏度材料是一条有效的途径,例如可以通过掺杂、替代等方法来提高材料的Seebeck系数。但材料的结构及化学组成确定后,若想得到性能更好的材料还需通过其他途径。提高材料的电导率
通过提高载流子浓度和载流子迁移率可以提高材料的电导率。但实验证明,对许多热电半导体材料来讲,电导率的提高至一定值后,其Seebeck系数却随着电导率的进一步提高而较大幅度地下降。从而使热电灵敏值的分子项S2σ可调范围受到限制,若想得到性能更好的热电材料,降低材料的导热系数成了提高热电性能最重要的途径。
降低材料热导率
材料的热导率由两部分构成,一部分是电子热导率;另一部分是声子热导率。对热电半导体材料来讲,由于要求材料具有较高的电导率,电子热导率的调节受到了很大程度的限制。然而,半导体热电材料中电子热导率占总热导率的比例较小,因此,通过增强晶格点阵对声子的散射来降低声子热导率用来调节材料的热导率几乎成了提高半导体材料热电优值最主要的方法。目前降低半导体热电材料的热导率主要有三个方面:
1. 形成固溶体结构热电材料,通过增加点阵缺陷来提高声子散射几率。如P 型Ir x Co 1-x Sb 3固溶体热电材料,当x= 时,其热导率可降低70%。
2. 形成所谓“重费米半导体”。Slack 认为U 3Pt 3Sb 4将是一种很有前
途的热电材料,它与同类结构Ce 3Pt 3Bi 4代表一种所谓重费米半导体,之
所以称为“重费米半导体”是因为这类材料载流子的有效质量仿佛比普通半导体载流子的有效质量大许多倍。因为非常大的载流子质量,它们具有非常大的西贝克系数,同时具有较强的声子散射效应。
3. 设计构造“电子晶体声子玻璃”输运特性的热电材料。所谓“电子晶体声子玻璃”是指使材料同时具有晶体和玻璃二者的特点。
4、热电材料的应用
热电材料主要有温差发电和热电制冷以及作传感器和温度控制器在微电子器件和EMS 中的应用。温差发电是利用热电材料的Seebeck 效应,将热能直接转化为电能,不需要机械运动部件,也不发生化学反应。1962年,美国首次将热电发电器应用于人造卫星上,开创了研制长效远距离,无人维护的热电发电站的新纪元。另外,虽然到目前为止热电材料的发
电效率一直较低,但因为它具有的不可媲美的优点,作为在特殊场合下使用的电源已经普及应用。它在工业余热、废热和低品位热温差发电方面也具有很大的潜在应用。热电制冷是利用Peltier效应,当电流流过热电材料时,将热能从低端排向高温端,不需要压缩机,也不需要氟利昂等制冷剂。其作用速度快,使用寿命长,并且借助于其它技能制冷又能加热的特点可方便地实现温度时序控制。如制冷设备可以应用于医学、高性能接收器和高性能红外传感器等方面,同时还可以为电子计算机、广通讯及激光打印机等系统提供恒温环境。如果能实现较高的制冷效率,就可以替代目前用氟利昂制冷的压缩机制冷系统,有利于保护环境。这是现在热电材料研究的热点。另外,热电制冷材料一个可能具有实际应用意义的场合是为超导材料的使用提供低温环境。因为这两类热电设备都无振动、无噪音,也无磨损、无泄漏,体积小、重量轻,安全可靠寿命长,对环境不产生任何污染,是十分理想的电源和制冷器。
5、展望
热电材料塞贝克效应和帕尔帖效应发现距今已有100余年的历史，无数的科学家已对其进行了深入而富有成效的研究和探索，取得了辉煌的成果。随着研究的不断深入，相信热电材料的性能将会进一步提高，必将成为我国新材料研究领域的一个新的热点。在今后的热电材料研究工作中，研究重点应集中在以下几个方面：
（1）利用传统半导体能带理论和现代量子理论，对具有不同晶体结构的材料进行塞贝克系数、电导率和热导率的计算，以求在更大范围内寻找热电优值ZT更高的新型热电材料。
（2）从理论和实验上研究材料的显微结构、制备工艺等对其热电性能的影响，特别是对超晶格热电材料、纳米热电材料和热电材料薄膜的研究，以进一步提高材料的热电性能。
(3)对己发现的高性能材料进行理论和实验研究，使其达到稳定的高热电性能。
(4)加强器件的制备工艺研究，以实现热电材料的产业化。 参考文献:
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专业：金属材料工程学号：1040602209姓名：郝小虎电热材料和热电材料的研究现状与发展 一热电材料的研究现状与发展 １传统热电材料的研究现状 从实用的角度来看，只有那些无量纲优值接近１的材料才被视为热电材料。目前已被广泛应用的主要有３种：适用于普冷温区制冷的ＢｉｚＴｅａ类材料，适用于中温区温差发电的ＰｂＴｅ类材料，适用于高温区温差发电的ＳｉＧｅ合金。 1.1Ｂｉ－Ｔｅ系列 ＢｉＺＴｅａ化学稳定性较好，是目前ＺＴ值最高的半导体热电体材料。一般而言，Ｐｂ，Ｃｄ，Ｓｎ等杂质的掺杂可形成Ｐ型材料，而过剩的Ｔｅ或掺人Ｉ，Ｂｒ，Ａｌ，Ｓｅ，Ｌｉ等元素以及卤化物掩Ｉ，ＣｕＩ，ＣｕＢｒ，ＢｉＩ３，ＳｂＩ３则使材料成为ｎ型。在室温下，Ｐ型ＢｉｚＴｅａ晶体的Ｓｅｅｂｅｃｋ系数。最大值约为２６０ｐＶ／Ｋ，ｎ型ＢｉｔＴｅａ晶体的ａ值随电导率的增加而降低，并达到极小值－２７０ｔ，Ｖ／Ｋ１６１，Ｂｉ２Ｔｅ。材料具有多能谷结构，通常情况下，其能带形状随温度变化很小，但当载流子浓度很高时，等能面的形状将随载流子的浓度而发生变化。室温下它的禁带宽度为0.13ｅＶ，并随温度的升高而减少。 1.2Ｐ１ｒＴｅ系列 ＰｂＴｅ的化学键属于金属键类型，具有ＮａＣｌ型晶体结构，属面心立方点阵，其熔点较高（１０９５Ｋ），禁带宽度较大（约０．３ｅＶ），是化学稳定性较好的大分子量化合物。通常被用作３００－９００Ｋ范围内的温差发电材料，其Ｓｅｅｂｅｃｋ系数的最大值处于６００－８００Ｋ范围内。ＰｂＴｅ材料的热电优值的极大值随掺杂浓度的增高向高温区偏移。ＰｂＴｅ的固溶体合金，如ＰｂＴｅ和ＰｂＳｅ形成的固溶体合金使热电性能有很大提高，这可能是由于合金中的晶格存在短程无序，增加了短波声子的散射，使晶格热导率明显下降，故使其低温区的优值增加。但在高温区，其ＺＴ值没有得到很好的提高，这是由于形成ＰｂＴｅ－ＰｂＳｅ合金后，材料的禁带明显变窄，导致少数载流子的影响增加，结果没能引起高温区ＺＴ值的提高［７１。 1.3Ｓｉ－Ｇｅ系列 ＳｉＧｅ合金的ａ值在Ｓｉｏ．ｉｓＧｅｏ．ａｓ达到极大值，其原因是在该组分处合金系统中的状态密度和有效质量达到极大值。但实际常用Ｓｉ含量高的合金来得到较高的优值，Ｓｉ含量高有以下好处：降低了晶格热导率；增加了掺杂原子的固溶度；使ＳｉＧｅ合金有较大的禁带宽度和较高的熔点，适合于高温下工作；比重小，抗氧化性好，适应于空间应用；同时降低了造价。ＳｉＧｅ合金是目前较为成熟的一种高温热电材料，适用于制造由放射线同位素供
热电材料研究进展 热电材料研究进展 颜艳明1，应鹏展1，2,张晓军1，崔鑫3 （1中国矿业大学材料科学与工程学院，江苏徐州，221116 2中国矿业大学应用技术学院，江苏徐州，221008 3河南永煤集团城郊煤矿，河南永城，476600，） 摘要：本文介绍了热电材料的种类及各种热电材料的ZT值，提高热电材料热电性能的方法及热电材料在温差发电和制冷方面的应用，并对其发展前景进行了展望。 关键词：热电材料；热导率；载流子 Progress of thermoelectric materials Yanyanming1,Yingpengzhan1,2，zhangxiaojun1,cuixin3 (1:Shool of Materials, CUMT,Xuzhou , Jiangsu, 221116 2: School of applied Technology,CUMT,xuzhou,Jiangsu,221116 3: Yong suburban coal mine in Henan Coal Group,yongcheng,Henan,476600)
Abstract: This paper is described the types of thermoelectric materials and every thermoelectric materials’ZT value,the way to improve the thermoelectric materials’performance of thermal power and the application of thermoelectric materials’on thermal power generation and refrigeration, also give its future development prospects. Key words: Thermoelectric materials; Thermal conductivity; Carrier 1、引言 在以石油价格暴涨为标志的“能源危机”之后,世界上又相继出现以臭氧层破坏和温室气体效应为首的“地球危机”和“全球变暖危机”。各国科学家都在致力于寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式, 以达到合理有效利用工农业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等能量的目的。于是,从上个世纪九十年代以来, 能源转换材料（热电材料）的研究成为材料科学的一个研究热点。尤其是近几年, 国际上关于热电材料的研究更是非常火热。目前，热电材料的研究主要集中在三个领域：室温以下的低温领域、从室温到700K的中温领域和700K以上的高温领域。 热电材料（又称温差电材料）是利用固体内部载流子和声子的输运及其相互作用来实现将热能和电能之间相互转换的半导体功能材料，其具有无机械可动部分、运行安静、小型轻便及对环境无污染等优点，在温差发电和制冷领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。
综合评述 热电材料的研究进展Ξ 沈 强 涂 溶 张联盟 (武汉工业大学材料复合新技术国家实验室430070) 摘 要:本文简要介绍了热电效应的应用状况和热电材料的基本特性,重点评述了热电烧结材料、高ZT值热电材料以及具有梯度结构的热电材料的研究进展。 关键词:热电效应,热电材料,品质因子,烧结材料,梯度结构 11引 言 热电效应(又称:温差电效应)从宏观上看是电能与热能之间的转换,因此从它被发现以来,人们就不断探求和开发其可能的工业用途。热电偶是其中最为成功的例子,它用于测量温度和辐射能已有一个多世纪的历史。由于金属的热电效应相当微弱,热电偶只是在开路条件下直接探测电压,而不是作为能量转换装置。直到50年代末期,半导体材料获得飞速发展以后,人们发现半导体材料具有很好的热电性能,颇具实用价值,此后对热电转换的研究取得了系列进展。目前,热电发电和热电制冷以它们独特的技术优势,已在许多领域得到了实际应用。 21热电效应的应用状况 热电效应是由电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称,它包括相互关联的三个效应:Seebeck效应、Peltier效应和T hom son 效应[1]。 1821年,T.J.Seebeck发现,由两种不同导体a,b构成的闭合回路的两端接点的温度不同时,回路中就产生电流,这种现象称为Seebeck 效应。开路条件下的电动势称为温差电动势,亦称为Seebeck电动势: dV=Αab dT Αab为Seebeck系数,在冷端接点处,若电流由a流向b,则Αab为正,反之为负。其大小取决于接点温度及组成材料。 Peltier效应是C.A.Peltier在1834年发现,并以他的名字命名的。当两种不同导体组成回路的接点有微小电流流过时,一个接点会放热,另一个接点则吸热。而改变电流的方向,放热和吸热的接点也随之改变。在时间dt内,产生的热量与流经的电流成正比: dQ p=Πab I ab dt Πab为Peltier系数,当电流由a流向b,I ab取正,dQ p>0,吸热,反之放热。Πab的大小与接点温度和组成材料有关。 T hom son效应是指当一段存在温度梯度的导体通过电流I时,原有的温度分布将被破坏,为了维持原有的温度分布,导体将吸收或放出热量。T hom son热与电流密度和温度梯度成正比: dQ t=ΣIdt(dT dx) Σ为T hom son系数,符号规则与Peltier效应相同,当电流流向热端,dT dx>0,Σ>0,吸热。 以上的Seebeck系数Αab、Peltier系数Πab和T hom son系数Σ,都是表征热电材料性能的重要参量,其相互关系可由Kelvin关系式表述如下:Πab=Αab T Σa-Σb=T(dΑab dT) — 3 2 — Ξ国家自然科学基金资助批准号:59581002
新型热电材料的研究进展 随着能源的日益紧缺以及环境污染的日趋严重，热电材料作为一种环保、清洁的新能源材料近年来备受关注，下面是搜集的一篇探究热电材料研究进展的，供大家阅读参考。 本文介绍了热电材料的研究进展，重点介绍了Half-Heusler金属间化合物、方钴矿、纳米技术和超晶格材料等新型热电材料的研究状况。 热电材料又称温差电材料，是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料。随着新材料合成技术的发展以及用X射线衍射技术和计算机来研究化合物能带结构参数等新技术的出现，使得热电材料的研究日新月异。 1.1 传统热电材料的研究进展 50年代，苏联的Ioffe院士提出了半导体热电理论，Ioffe及其同事从理论和实践上通过利用两种以上的半导体形成固溶体可使ZT 值提高，从而发现了热电性能较高的致冷和发电材料，如Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶体合金。
常规半导体的ZT值主要依赖于载流子的有效质量、迁移率和晶格热导率，优良热电材料一般要求大的载流子迁移率和有效质量，低的晶格热导率[1]。根据这些理论原则，发现了上述的一些较好的常规半导体热电材料，如适合室温使用的Bi2Te3合金、适合中温区(700K)使用的PbTe、高温区(1000K)使用的SiGe合金，更高温度(>100K)下使用的SiC等。 1.2 新型热电材料的研究进展 1.2.1 Half-Heusler金属间化合物 Half-Heusle金属间化合物的通式为ABX，A为元素周期表左边的过渡元素(钛或钒族)，B为元素周期表右边的过渡元素(铁、钴或镍族)，X为主族元素(稼、锡、锑等)。Half-Heusler金属间化合物是立方MgAgAs型结构。这种材料的特点是在室温下有较高的电导率和Seebeck系数，可以达到300μV/K，在700～800K时，材料的ZT值可达到0.5～0.6，但缺点是热导率也很高(室温下为5～ 9W/(M?K))[2]。 1.2.2填充Skutterudite化合物
新型热电材料及研究进展摘要：热电效应在发电和致冷方面有着巨大的应用潜力。从如何提高热电材料热电优值的理论研究出发,列出了寻找高优值热电材料的几种主要途径。在此基拙上,重点介绍了最近几年来新型热电材料的研究发展情况,包括笼式化合物、超晶格热电材料、Half一Hueselr合金等。并提出了亚待解决的问题和今后的研究方向。 关键字：热电；电优值；新型热电材料 1引言 能源是人类活动的物质基础，随着人类活动以及工业化革命的不断进行，传统的一些不可再生能源开始日益枯竭’所以新能源的开发迫在眉睫，而新能源的开发利用需要借助能源材料来实现’能源转换材料（热电材料）成为材料科学热点’热电材料的应用主要有温差发电和热电制冷，温差发电是利用效应，直接将热能转化为电能的研究’温差发电在工业余热&废热和低品味热温差发电方面有很大的潜在应用’与温差发电相反，热电制冷利用效应可以制造热电制冷机’热电制冷具有机械压缩制冷机所没有的一些优点，尺寸小质量轻无任何机械转动部分工作无噪声无液态或气态介质，因而不存在污染环境问题；可以实现精确控温，响应速度快，器件使用寿命长，因此热电制冷已用于很多领域’另外，热电制冷材料的一个可能具有实际应用意义的场合是为超导材料的使用提供低温环境’1823年,Seebeck首次发现了热电效应(又称温差电效应),从而开始了人类对热电材料的研究和应用。近年来,随着人们对环境和能源问题的日益重视,热电材料开始受到更为普遍的关注。 2材料的热电效应 热电材料具有3 个基本效应，即效应效应和效应，这3 个效应奠定了热电理论的基础，同时也确定了热电材料的应用方向。 Seebeck效应又称为温差电效应，是指在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温度不同，发现了回路中有一电动势存在Seebeck 效应的大小可通过Seebeck系数（温差电动势率）来表征 3新型热电材料种类 随着科技进步和新材料合成技术的发展&各种测试手段的不断提高以及计算机在材料 研究中的广泛应用，使得目前热电材料的研究日新月异，大量的新型热电材料层出不穷。 3.1半导体金属合金型热电材料 金属材料的热电效应非常小,除在测温方面的应用外,其他没有实际的应用价值。直到20世纪50年代,人们发现小带隙(small band gap)掺杂半导体比金属大很多热电效应,研制温差电源和热电制冷器已具有现实意义[1]。这类材料以Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ族及稀土元素为主。目前,研究较为成熟并且已经应用于热电设备中的材料主要是金属化合物及其固溶体合金如 Bi2Te3/Sb2Te3、PbTe、SiGe、CrSi等,这些材料都可以通过掺杂分别制成P型和n型材料。有报道称在实验室得到的最高ZT值达到2.2 (AgPb m SbTe2+m, 800K)[2]到2.4(Bi2Te3/Sb2Te3超晶格, 300K) [3]。通过调整成分、掺杂和改进制备方法可以进一步提高这些材料的ZT,通过化学气相沉积（ CVD ）过程得到综合两维Sb2Te3/Bi2Te3超晶格薄膜的ZT高达2.5[4]，ZT的研究还在继续进行[5]。但是这些热电材料存在制备条件要求较高,需在一定的气体保护下进行,不适于在高温下工作以及含有对人体有害的重金属等缺点。 3.2方钴矿(Skutterudite)热电材料 Skutterudide是CoSb3的矿物名称，名称为方钴矿，是一类通式为AB3的化合物（其中A是金属元素，如Ir、Co、Rh、Fe等；B是V族元素，如As、Sb、P等）。二元Skutterudite 化合物是窄带隙半导体，其带隙仅为几百毫电子伏，同时此类化合物具有较高的载流子迁移率和中等大小的反Seebeek系数，但热导率比传统的热电材料要高.此类化合物的显著特点
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热电材料研究进展 热电材料研究进展 颜艳明1，应鹏展1，2,张晓军1，崔鑫3 （1中国矿业大学材料科学与工程学院，江苏徐州，221116 2中国矿业大学应用技术学院，江苏徐州，221008 3河南永煤集团城郊煤矿，河南永城， 476600，） 摘要：本文介绍了热电材料的种类及各种热电材料的ZT值，提高热电材料热电性能的方法及热电材料在温差发电和制冷方面的应用，并对其发展前景进行了展望。 关键词：热电材料；热导率；载流子 Progress of thermoelectric materials Yanyanming1,Yingpengzhan1,2，zhangxiaojun1,cuixin3 (1:Shool of Materials, CUMT,Xuzhou , Jiangsu, 221116 2: School of applied Technology,CUMT,xuzhou,Jiangsu,2211163: Yong suburban coal mine in Henan Coal Group,yongcheng,Henan,476600) Abstract: This paper is described the types of thermoelectric materials and every thermoelectric materials’ ZT value,the way to improve the thermoelectric m aterials’ performance of thermal power and the application of thermoelectric materials’ on thermal power generation and refrigeration, also give its future development prospects. Key words: Thermoelectric materials; Thermal conductivity; Carrier 1、引言 在以石油价格暴涨为标志的“能源危机”之后,世界上又相继出现以臭氧层破坏和温室气体效应为首的“地球危机”和“全球变暖危机”。各国科学家都在致力于寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式, 以达到合理有效利用工农业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等能量的目的。于是,从上个世纪九十年代以来, 能源转换材料（热电材料）的研究成为材料科学的一个研究热点。尤其是近几年, 国际上关于热电材料的研究更是非常火热。目前，热电材料的研究主要集中在三个领域：室温以下的低温领域、从室温到700K的中温领域和700K以上的高温领域。 热电材料（又称温差电材料）是利用固体内部载流子和声子的输运及其相互作用来实现将热能和电能之间相互转换的半导体功能材料，其具有无机械可动部分、运行安静、小型轻便及对环境无污染等优点，在温差发电和制冷领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。 较好的热电材料必须具有较高的Seebeck系数，从而保证有较明显的热电
热电材料作为环境友好的能源转化材料，已显示出了引人瞩目的应用前景，但是热电器件走向实际应用的最大问题在于它的转换效率。从热力学的基本定理来说,热电优值没有上限。即使是应用固体理论模型和较为实际的数据计算得到的优值上限为ZT=4，仍远远大于目前己获得的最大ZT值。通过寻求新类型或新结构的热电材料，优化制备工艺等，将有可能使材料优值得到明显提高。 从目前的研究现状来看，未来热电材料的研究方向趋于以下几个方面: 2.纳米复合热电材料的研究 1.低维热电材料的研究 降低材料维度，使用二维量子阱，一维量子线超晶格可以有效提高费米能级附近的态密度，增加载流子有效质量，提高Seebeek系数，同时材料中大量晶界对声子的散射使热导率大幅降低，两方面的共同作用使材料ZT值大幅提高。 即在三维块体材料中引入或原位生成纳米结构，或者将低维材料体系聚合成微纳复合材料，纳米结构的引入一方面可以大幅降低热导率，另一方面，可以通过量子限制效应大幅提高费米能级附近的电子态密度，提高Seebeck系数。 电子跃迁示意图 导电聚合物的热电优值(ZT)优化只是处于起步阶段，还需要关于形态，化学和电子结构对三个主要的热电参数的影响进行了系统的了解。因为热电特性都彼此相关，以及导电聚合物众所周知的形态复杂性及其物理性质的各向异性，这一问题变得困难起来。就在过去几十年的导体和半导体聚合物研究的基础上，为聚合物基有机热电材料的发展奠定了坚实的基础。这一新兴研究领域的一个主要挑战是理解在导电聚合物各种塞贝克效应的来源以获得高的能量因子。此外，材料的热电性能表征也应得到发展。今天，从废物和太阳热能中大面积地进行热电能量收
最近很多热电材料热电系数的提高都与纳米尺寸效应有关，在包含纳米尺寸成分的块材和纳米尺寸样品本身中均有这种效应。先前关于量子阱超晶格和量子线理论上和试验上的原理验证研究方法，现在已经被引入到包含纳米结构成分的块材的研究中，这些块材是用化学方法或物理方法制备的。本文将会介绍一些纳米结构复合材料的纳米结构和性质，这些结构和性质展示了热电材料的广泛应用的希望，以及把低维材料和块材集合在一起的应用的希望。本文所强调的重点是达到1）在同一纳米复合材料样品和相同输运方向，同时的功率因子的增加和热导率的下降；2）与相同化学成分的合金相比，在纳米复合材料中有更低的热导率值。本文对未来的纳米复合热电材料的研究前景也做了探讨。 1.引言 人类生存的21世纪，世界范围内的能源需求增长以及化石燃料供给急剧减少，因此提供可持续的能源供给对人类社会而言将会是一个重大的社会问题。热电现象——即热量和电能之间转换并提供了一种制冷或发电的方法——在解决未来能源危机问题上将有希望扮演越来越重要的角色。因为我们有理由期望依靠高性能热电材料的发展，即在原理验证水平也在实用化水平，来提供解决问题的方法。本文将会综述一下新浮现的低维热电材料领域的当前研究状态，这一领域是由材料的纳米科技所促进而生的。 上个世纪50年代，热电领域发展迅速，此时热电材料的基础科学问题已经很好的建立，重掺杂的半导体作为优良的热电材料得到广泛的接收，并且热电材料Bi2Te3已经发展到商业化程度，进而加速了热电产业的发展。那时，理论上已经建立起的观点是，热电材料的效率可以用一种近似的方法与一个无量纲的热电优值系数联系在一起，即：ZT=S2σT/κ，其中S、σ、T、κ分别代表塞贝克系数（Seebeck coefficient）、电导、绝对温度、热导率。在接下来的三十年，1960-1990，ZT系数仅有很少的增加，主要是在(Bi1-x Sb x)2(Se1-y Te y)3合金族上，并且这一合金族仍然是最好的热电材料，其ZT系数在1左右。在1960-1990年代，全世界的研究组织只有很少人关注热电领域。然而，通过寻找小环境下的应用，如太空任务，试验设备，医学应用，这些情况下，与能量的可靠性，可用性相比，能量的成本及效率显得不重要，因此热电工业缓慢而稳定的发展着。 在上世纪90年代早期，美国国防部对热电材料的应用潜力变的非常有兴趣，在美国国防部的刺激下，很多研究小组重新审视了对热电材料的研究，科学家都渴望得到在制冷、发电领域有竞争性的高性能热电材料。科学界在这个领域又活跃起来，并且致力于发现可能有高的热电性能的新方向、新方法，这些都是与美国国防部的激励机制分不开的。在这种政府的激励行为之下，科学界采用了两种不同的方法去寻找下一代新热电材料：一种是利用新的具有高性能的热电特性的块材；另一种是采用低维材料系统。 高性能块材研究方法主要集中在一些新材料，这些新材料在部分点上掺杂有振幅很大的重离子，因此可以提供有效的声子散射中心。那些性能最好的块材就是所谓的“声子玻璃－电子晶体”结构（例如以为 CoSb3基础的部分填充的方钴矿材料）。对于低维材料方法，有两个主要的思想。第一，低维材料中纳米刻度成分的引入，将会带来量子限制效应，进而提高功率因数S2σ。第二，在低维材料中可以设计一些内部的界面，由此可以使得热导率的降低比电导率的降低更为明显（这是由于他们各自的散射长度不同造成的）。 上个世纪90年代，这两种方法各自发展着，且大都在不同的方向。最近的研究看来，这两种方法有结合在一起的趋势。第一，现在最成功的热电块材，都是在一主材料中包含有纳米尺度的成分，这一般是由化学方法制备的。第二，当前低维材料系统正在被组装成纳米复合材料，这些纳米复合材料包含着相互耦合的纳米团簇的集合，这些纳米团簇表现出短距
热电材料的研究进展李玲玲,张丽鹏,于先进(山东理工大学化学工程学院,淄博255049)摘 要 本文论述了不同种类热电材料的结构特征和热电性能。阐述了提高热电材料热电性能的方法、途径以及热电材料在温差发电和制冷等方面的应用,并指出热电材料作为能源的转化方式必将成为材料界的研究重点。关键词 热电材料;热电性能;进展中图分类号: T Q174. 75文献标识码: A1 引言热电材料(又称温差电材料)是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料。其工作原理是固体在不同温度下具有不同的电子(或者空穴)激发特征,当热电材料两端存在温差时,材料两端电子(或者空穴)激发数量的差异将形成电势差(电压)。从1823年Thoums Seebeck发现热电效应到今天已有180多年的历史,其间人们一直不断探求和开发其可能的工业用途。热电偶是其中最为成功的例子[ 1]。但由于金属的热电效应相当微弱,不能作为能量转换装置[ 2]。而真正将这一效应发展为有使用意义的能量转换装置则是在20世纪50年代。1909年到1911年,德国Altenkirch 先后建立了热电发电及制冷理论,这一理论表明,优良的热电材料必须具有高的Seebeck系数(S),从而保证有较明显的的热电效应,较小的热导率( )以保留接点处的热量,高的电导率( )以减少Joule热损失,即材料热电性能的优劣取决于其热电优值Z[ 3]。表示如下式:Z= S2 / 影响热电材料的优值Z的3个参数Seebeck系数、热导率、电导率都是温度的函数。同时优值Z又敏感地依赖于材料种类、组分、掺杂水平和结构[ 4]。因此每种热电材料都有各自的适宜工作温度范围,习