半导体热电材料共132页

热电材料的热电性能研究与应用随着科技的不断进步，热电材料作为一种新型新兴材料，开始被广泛研究和应用。

热电材料的热电性能是热电材料最重要的性能指标之一，对于热电材料的研究和应用具有非常重要的意义。

本文将围绕热电材料的热电性能展开论述，主要内容包括热电材料的基础知识、热电材料的分类、热电材料的热电性能及其测试方法、热电材料的应用研究进展和未来发展趋势。

一、热电材料的基础知识所谓热电效应，是指在两个不同材料之间，当其中一种材料处在温差场中，就会产生电压，这种现象就是热电效应。

热电材料是一类具备热电效应的材料，其中最常见的是热电元件。

热电元件是将两种不同材料连接在一起，形成一个电路的元件。

热电材料的应用领域很广泛，包括热能转换、温度检测、温度控制等方面。

二、热电材料的分类根据热电材料的性质、成分和应用，可以将其分为多种不同的类型。

其中最常见的有：1. 半导体热电材料：半导体热电材料是目前最常见的一种热电材料。

这种材料的基本结构是一个p型半导体和一个n型半导体相连，两个半导体的接触面就是电极。

半导体热电材料的工作原理是在温差条件下，由于p型半导体和n型半导体结构不同，会出现电子在两个半导体之间的漂移现象，进而产生热电效应。

2. 金属热电材料：金属热电材料是指由金属和合金组成的热电材料。

这种材料的热电效应主要是由于金属中的自由电子和热运动产生的电荷移动引起的。

金属热电材料的优点是工作温度高、热电性能优越、稳定性好等。

3. 聚合物热电材料：聚合物热电材料是近年来新兴的一种热电材料。

这种材料的优点是柔性好、制备过程简单、成本低等。

聚合物热电材料常用于温度监测、人体温度检测等领域。

三、热电材料的热电性能及其测试方法热电材料的热电性能是热电材料的重要指标之一，也是评价热电材料优劣的关键。

热电材料的热电性能指标主要包括热电势、热电伏特系数、热电导率和热电功率因子等。

热电材料的热电性能与材料的类型、成分、结构等因素密切相关。

热电材料thermoelectric material将不同材料的导体连接起来，并通入电流，在不同导体的接触点——结点，将会吸收(或放出)热量.1834年，法国物理学家佩尔捷(J.C.A.Peltier)发现了上述热电效应.1838年，俄国物理学家楞次(L.Lenz)又做出了更具显示度的实验：用金属铋线和锑线构成结点，当电流沿某一方向流过结点时，结点上的水就会凝固成冰；如果反转电流方向，刚刚在结点上凝成的冰又会立即熔化成水.热电效应本身是可逆的.如果把楞次实验中的直流电源换成灯泡，当我们向结点供给热量，灯泡便会亮起来.尽管当时的科学界对佩尔捷和楞次的发现十分重视，但发现并没有很快转化为应用.这是因为，金属的热电转换效率通常很低.直到20世纪50年代，一些具有优良热电转换性能的半导体材料被发现，热电技术(热电制冷和热电发电)的研究才成为一个热门课题.目前，在室温附近使用的半导体制冷材料以碲化铋(Bi2Te3)合金为基础.通过掺杂制成P 型和N型半导体.如前所述，将一个P型柱和一个N型柱用金属板连接起来，便构成了半导体制冷器的一个基本单元，如果在结点处的电流方向是从N型柱流向P型柱，则结点将成为制冷单元的“冷头”(温度为Tc)，而与直流电源连接的两个头将是制冷单元的“热端”(温度为Th). N型半导体的费米能级EF位于禁带的上部，P型的则位于禁带的下部.当二者连接在一起时，它们的费米能级趋于“持平”.于是，当电流从N型流向P型时(也就是空穴从N到P；电子从P到N)，载流子的能量便会升高.因此，结点作为冷头就会从Tc端吸热，产生制冷效果.佩尔捷系数，其中是单位时间内在结点处吸收的热量，I是电流强度，Π的物理意义是，单位电荷在越过结点时的能量差.在热电材料研究中，更容易测量的一个相关参数是泽贝克(Seebeck)系数α,，其中T是温度.显然，α描述单位电荷在越过结点时的熵差.对于制冷应用来说，初看起来，电流越大越好，佩尔捷系数(或泽贝克系数)越大越好.不幸的是，实际非本征半导体的性质决定了二者不可兼得：电流大要求电导率σ高，而σ和α都是载流子浓度的函数.随着载流子浓度的增加，σ呈上升趋势，而α则下跌，结果ασ只可能在一个特定的载流子浓度下达到最大(注：由热激活产生的电子-空穴对本征载流子，对提高热电效益不起作用).半导体制冷单元的P型柱和N型柱，都跨接在Tc和Th之间.这就要求它们具有大的热阻.否则，将会加大Tc和Th间的漏热熵增，从而抵消从Tc端吸热同时向Th端放热的制冷效果.最终决定热电材料性能优劣的是组合参数，其中κ是材料的热导率.参数Z和温度T的乘积ZT无量纲，它在评价材料时更常用.目前，性能最佳的热电材料，其ZT值大约是1.0.为要使热电设备与传统的制冷或发电设备竞争，ZT值应该大于2.Glen Slack把上述要求归纳为“电子-晶体和声子-玻璃”.也就是说，好的热电材料应该具有晶体那样的高电导和玻璃那样的低热导.在长程有序的晶体中，电子以布洛赫波的方式运动.刚性离子实点阵不会使传导电子的运动发生偏转.电阻的产生来源于电子同杂质、晶格缺陷以及热声子的碰撞.因此，在完善的晶体中σ可以很大.半导体中的热导包含两方面的贡献：其一由载流子(假定是电子)的定向运动引起的(κe)；其二是由于声子平衡分布集团的定向运动(κp).根据维德曼-弗兰兹定律，κe∝σ.人们不可能在要求大σ的同时，还要求小的κe.减小热导的潜力在于减小κp，它与晶格的有序程度密切相关：在长程有序的晶体中，热阻只能来源于三声子倒逆(umklapp)过程和缺陷、边界散射；在非晶态玻璃结构中，晶格无序大大限制了声子的平均自由程，从而添加了对声子的散射机制.因此，“声子-玻璃”的热导率κ可以很低.以无量纲优值系数ZT来衡量热电材料：BiSb系列适用于50—150K温区；Bi2Te3系列适用于250—500K；PbTe系列适用于500—800K;SiGe系列适用于1100—1300K.低温热电器件(T≤220K)主要用于冷却计算机芯片和红外探测器.高温热电设备可将太阳能和核能转化成电能，主要用于航天探测器和海上漂浮无人监测站的供电.最近，氟里昂制冷剂的禁用，为半导体制冷的发展提供了新的契机.1998年秋季在美国波士顿召开的材料研究学会(MRS)学术会议上，热电材料研究再一次成为讨论的热点.Brian Sales等研究了一类新型热电材料，叫作填隙方钴矿锑化物(filled skutterudite antimonides).未填隙时，材料的化学式是CoSb3(或Co4Sb12).晶体中每个Co4Sb12结构单元包含一个尺寸较大的笼形孔洞.如果将稀土原子(例如La)填入笼形孔洞，则化学式变为LaCo4Sb12.由于La原子处于相对宽松的空间内，它的振动幅值也较大.于是，在LaCo4Sb12中，Co4Sb12刚性骨架为材料的高电导提供了基础，而稀土La在笼中的振动加强了对声子的散射——减小了材料的热导.B.Sales 的工作朝着“电子-晶体和声子-玻璃”的方向迈出了第一步.高压(～2GPa)技术已经被用于改进热电材料的性能.如果在高压下观察到了母材料性能的改善，人们将可以通过化学掺杂的办法获得类似的结构，并将它用于常压条件下.ZrNiSn的σ和α都很高，但它的热导率κ并不低.或许可以通过加入第4或第5组元，增强对声子的“质量涨落散射”，达到减小热导的目的.准晶的结构复杂多变，具有“声子-玻璃”的性能.有关研究的重点是改善准晶的导电性能.将纳米金属(Ag)嵌入导电聚合物，当电流流过这种复合材料时，可以产生大的温度梯度.对此，还没有理论上的解释.有两种低维热电材料具有应用前景：CsBi4Te6实际上就是填隙的Bi2Te3；硒(Se)掺杂的HfTe5，在T＜220K的温区，其泽贝克系数α远远超出了Bi2Te3.此外，薄膜、人工超晶格、纳米碳管、Bi纳米线和量子阱系统、类猫眼结构等都展现出了在改进热电材料性能方面的潜力.热电效应所谓的热电效应，是当受热物体中的电子(洞)，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。

半导体热电转换材料的发展现状与未来发展趋势概述说明1. 引言1.1 概述半导体热电转换材料是一种具有强大潜力的功能性材料，在能源转换和节能领域具有广泛的应用前景。

热电转换技术可以将废热直接转化为电能，从而提高能源利用效率，减少对环境的不良影响。

随着社会经济的发展和对可再生能源的需求日益增长，人们对于半导体热电转换材料的关注度也在不断提高。

1.2 文章结构本文将首先介绍半导体热电转换材料的发展现状，包括其研究历史、常见的材料类型以及已有的应用和成就。

然后，我们将重点探讨该领域关键性要点，包括评估参数、制备技术进展以及结构与晶格调控对性能的影响。

接下来，我们将进行可行性与商业化前景分析，讨论技术上的挑战与解决方案，并评估市场需求和应用领域潜力。

最后，我们将展望未来发展趋势，并提出进一步研究方向和政策支持的建议。

1.3 目的本文旨在全面介绍半导体热电转换材料的发展现状，并分析其未来的发展趋势和商业化前景。

通过对该领域关键性要点和可行性进行深入探讨，我们希望为进一步推动该技术的研究和应用提供有益信息和启示。

同时，本文也将提出多学科交叉合作和创新推动发展的建议，以期促进半导体热电转换材料领域的持续进步和突破。

2. 半导体热电转换材料的发展现状2.1 研究历史和背景半导体热电转换材料是一种能够将废热转化为电能的材料。

其原理基于Seebeck 效应，即在温度差下产生的电压差。

早在19世纪初期，科学家们就开始对热电效应进行了研究并提出了相关理论。

随着技术的进步，人们对半导体热电转换材料的兴趣逐渐增加，并在工业和航天领域中实现了一些应用。

2.2 常见的半导体热电转换材料目前，常见的半导体热电转换材料主要包括铋锑合金、硒系化合物、铢碲化合物等。

这些材料具有较高的载流子迁移率和较低的热导率，因此可以实现较高的热电效率。

2.3 已有的应用和成就半导体热电转换材料已经在多个领域取得了一些应用和成就。

例如，在宇航领域，半导体热电模块可以将宇宙航天器上产生的废热转化为电能，从而延长航天器的寿命。

半导体热电材料前景
一、热电材料概述
热电材料是一类具有独特电热效应的材料，能够将热能转化为电能或对外提供
电能的材料。

热电材料可分为金属型热电材料和半导体型热电材料，其中半导体热电材料由于其效率高、体积小、成本较低等优点，在能源领域具有重要的应用前景。

二、半导体热电材料的优势
1.高效率：半导体热电材料能够将热能转化为电能的效率较高，可有效
提高能源利用效率。

2.小体积：半导体材料相对较小，可实现微型化、集成化设计，适用于
一些对体积要求较高的场景。

3.成本较低：相比于一些稀有金属材料，半导体热电材料的成本相对较
低，具有更广泛的应用前景。

三、半导体热电材料的发展现状
目前，半导体热电材料在汽车、航空航天、军事等领域得到了广泛应用，如汽
车尾气废热回收、航空航天能源管理系统等。

同时，随着科技的发展，半导体热电材料在新能源、新材料等领域也逐渐得到应用，预示着未来其发展前景十分广阔。

四、未来发展趋势
1.研发新型材料：未来需要不断研发新型半导体热电材料，以提高转换
效率、降低成本。

2.应用领域拓展：预计未来半导体热电材料将进一步拓展到家电、医疗、
智能穿戴等领域，为各行业提供可持续、高效的能源解决方案。

3.技术改进：随着技术的不断进步，半导体热电材料的性能和稳定性将
会得到进一步提升，为其应用带来更广阔的空间。

综上所述，半导体热电材料由于其高效率、小体积、成本较低等优势，未来在
能源领域以及其他领域都具有广阔的应用前景，发展潜力巨大。

我们有理由相信，在不久的将来，半导体热电材料将会成为能源转换领域的重要支柱之一。

高热导率半导体材料
高热导率半导体材料在电子器件中有着广泛的应用。

例如，高热导率材料可以用于制造高性能的散热片，帮助电子器件更好地散热，提高其工作效率和稳定性。

此外，高热导率半导体材料还可以用于制造热电材料，将热能转换为电能，应用于能源回收和节能领域。

除此之外，高热导率半导体材料还在光电子学领域具有重要意义。

例如，用于制造激光器的材料需要具有良好的热导率，以便及时将产生的热量散发出去，保持激光器的稳定工作。

因此，高热导率半导体材料在激光器、光通信和光电子器件等领域有着重要的应用价值。

此外，高热导率半导体材料还可以应用于热敏电阻、温度传感器等领域，帮助实现高精度的温度测量和控制。

总的来说，高热导率半导体材料在电子器件、能源转换、光电子学和传感器等领域具有广泛的应用前景，对于推动现代科学技术的发展具有重要意义。

热电材料半导体材料的高通量合成及相图分析热电材料在能量转换领域发挥着重要的作用。

而要开发高效的热电材料，关键在于发掘新的半导体材料。

因此，高通量合成是一种快速筛选新材料化合物的方法。

同时，相图分析可以帮助我们理解热电半导体材料的性质和相互作用。

高通量合成高通量合成，也称为高通量材料探索，是一种可一次性同时合成数千种化合物的方法。

这种方法可以大大缩短研究时间和费用，并且可以发现高效的材料。

高通量合成的核心是高通量试验。

通过表面涂覆样品阵列，这些阵列可以由各种化学物质组成。

然后，这些材料被置于高温炉中，进行快速热处理和样品分析。

这种方法可以在极短的时间内得到大量化合物，并确定其中哪些显示出具有特殊性质，比如优异的热电性质。

相图分析相图分析是一种理解材料性质和相互作用的重要方法。

相图是一个用于描述材料的温度和组成变化的图表。

相图描述了物质在不同温度和组成条件下形成的各种结构状态。

相图的解读是热电半导体开发中的关键。

不同相的热电性质有很大差异，因此相图分析可以帮助我们了解准确的温度和组成范围，以获得最佳性能。

历史和现状自20世纪90年代中期以来，高通量合成和相图分析一直是材料科学研究的热点。

这两种方法的结合已经被成功地应用于新型材料的发现。

在热电半导体材料中，高通量合成被用于发现新化合物，并进行初始评估。

而相图分析则被用于更深入地了解材料的特性，例如相变和化学反应。

然而，这两种方法的应用还有许多难题需要解决。

目前，高通量合成仍然存在一些局限性，如挥发性化合物的限制以及难以精确控制的反应条件。

此外，准确测量复杂化合物的相图也是一个困难。

总结高通量合成和相图分析是研究热电半导体材料的关键。

合适的高通量合成可以快速地产生一系列化合物，而相图分析则可以用来进一步了解各化合物的性质。

集成这些数据可以挖掘出新的材料，为新一代热电半导体材料的开发提供有力的支持。

半导体材料热电效应研究实验报告[实验目的]测量半导体pn结电压--温度的对应关系。

[实验原理]pn结构成的二极管和三极管的伏安特性对温度有很大的依性，利用这一特点可以制造pn结温度传感器和晶体管温度!器。

[仪器介绍和使用]本实验所用装置由三部分组成:主控仪器箱(恒流源、电流测量及显示系统、制冷加热控制系统和计算机接口系统);栏池(内装样品及制冷元件、加热元件、测温:二极管);其中样品由绝热材料密封，升温由黄铜载体内发热体提供热量，降温采两级:-级为冷风，二级为BiTe系半导体制冷。

这样，当需要于室温时，两级同时工作。

而由高温回到室温时则由冷风使其速冷却。

采用黄铜做载体是因为其热导率高、热容适中。

加冷却功率均可调节。

仪器可实时观测到样品导电能力随温度的化[操作步骤][1]检查连接线无误后打开仪器电源开关。

[2]按“设置”按键，显示屏显示0010STAR,代表设置开始度，通过“+”、“一”按键修改要设定的初始温度。

再按“设按键，显示屏显示0080END,代表设置结束温度，通过“+”按键修改要设定的结束温度。

再按“设置”按键，显示屏显示0ET，代表设置模式，可不做设置。

再按“设置”按键显示屏显当前样品池的温度和样品的电压值。

黑客攻防自学编程入门效基发器学习编程”半导体激光价格半导体按“运行”按键，仪器进入测量工作后会首先自动调整温到初始温度，然后再加热、测量,当达到结束温度时自动停机。

因此，我们在仪器达到初始温度开始测量，完成表1所给出温度节点的电压值。

关闭仪器电源，整理试验结果。

[实验数据及后处理]测量半导体pn结的电压一温度对应关系，完成表1，并根据验数据作图(如图1,横坐标为开氏温度，纵坐标为电压。

1仅给出了20~60°C 的测量值。

半导体材料的热电特性:其热电特性非常显著，因此，用作温度传感器的材料。

一般而言，在较大的温度范围内，体都具有负的电阻温度系数。

半导体的导电机制比较复杂，输运作用的载流子为电子或空穴。

精选全文完整版（可编辑修改）二维半导体材料近年来，半导体材料作为新一代先进材料受到了越来越多的关注。

其中，二维半导体材料更是受到大家的高度重视。

二维材料在纳米尺度下，具有独特的物理特性和化学性质，而且具有非常优异的器件性能。

因此，它们被越来越多地用于电子器件、传感器和电源管理等应用。

关于二维半导体材料，它是指所有厚度小于几十纳米的电子、光学的特性的材料。

常见的二维材料有碳纳米管、硅烷（二硅物）、金属硫化物、米开朗基罗物质（MoS2）、钛硅烷（TiS2）、石墨烯（Graphene）及二氧化碳等。

这些二维材料对电子、光电、传感器、电源管理等领域具有重要的应用价值。

碳纳米管（CNTs）是一种炫目的二维半导体材料，它的特点是由卷曲的碳纳米管构成，具有非常优异的物理性能。

它们具有极高的抗压强度和优异的导电性，而且多种可用的表面改性技术能够提高它们的导电性能和稳定性。

另外，CNTs还具有优异的电磁免疫性能，可以用来制备各种复杂的结构和型号。

米开朗基罗物质（MoS2）是另一种重要的二维半导体材料，它有着优异的电磁免疫性能，同时具有较低的能量损耗和优异的电导性。

它可以用于制备各种电子器件，这些电子器件具有极低的功耗和高性能。

此外，MoS2还可用于提高传感器的敏感性和可靠性，并且它可以显著提高太阳能转换效率。

石墨烯（Graphene）是另一种优秀的二维半导体材料，它具有极高的表面积、优异的电导性和极低的能量损耗等特点，是一种新型的导电材料。

石墨烯可以用于制备具有高性能的器件，如电子显示器、传感器、电池、磁体、量子存储和其他电子元件。

此外，石墨烯也可以用于节能、环保、功耗低、可持续发展的新型电子电路。

由以上介绍可以看出，二维半导体材料是一种具有重大应用价值的新型材料。

它们具有优异的物理性能和化学性质，可以大大提高电子器件、传感器和电源管理等应用的性能。

尽管这类材料的发展正处于初期，但未来会有更多的研究和进步，以满足社会的需求。

材料的热电性能热电材料是利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接转换的功能材料。

它的产生于材料的热电性能密不可分,材料的热电性能可以总结为塞贝克效应,帕尔贴效应，汤姆孙效应。

塞贝克效应热电现象最早在1823年由德国人Seebeck发现。

当两种不同导体构成闭合回路时,如果两个节点处电温度不同，则在两个节点之间将会产生电动势,且在回路中有电流通过，该现象被叫做Seebeck效应，此回路称为热电回路，回路中出现的电流称为热电流，回路中出现的电动势称为塞贝克电动势.塞贝克系图 1 塞贝克效应示意图数可表示为:式中，V表示电动势；T表示温度,S的大小和符号取决于两种材料和两个结点的温度.当载流子是电子时，冷端为负，S是负值；如果空穴是主要载流子类型，那么热端是负，S是正值。

帕尔贴效应1834年，法国钟表匠Pletier发现了Seebeck效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时接点处会发生放热或吸热现象,称为帕尔贴效应。

帕尔贴系数可表示为:P表示单位时间接头处所吸收的帕尔贴热；I表示外加电源所提供的电流强度。

汤姆孙效应当电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流方向和温度梯度的方向而定。

在实际应用中，以无量纲的ZT值来衡量材料的热电性能：式中，σ为电导率；k为热导率；S是塞贝克系数；T为温度。

σS2又被称作功率因子，用于表征热电材料的电学性能。

从上式可以得出，提高热电材料的能量转换效率可以通过增大其功率因子或降低其热导率来实现,但这3个参数并非独立的，它们取决于材料的电子结构和载流子的散射情况。

为了提高塞贝克系数，材料中应该只有单一类型的载流子，n型和p型载流子同时存在会导致两种载流子都向冷端移动，从而降低塞贝克电压。

低的载流子浓度会增大塞贝克系数，塞贝克系数公式如下：n为载流子浓度,m为载流子有效质量.大的载流子有效质量会提高塞贝克系数，但是会降低电导率。

m和态密度有关,载流子的有效质量会随着费米能及附近的态密度增加而增加。

半导体热电材料半导体热电材料是一类具有独特热电性能的材料，它们能够将热能转化为电能，或者将电能转化为热能。

在当今社会，能源危机和环境污染日益严重，因此研究和开发高效的能源转换材料变得尤为重要。

半导体热电材料因其优异的热电性能而备受关注，被广泛应用于热电发电、制冷、温差传感器等领域。

半导体热电材料的热电性能主要由热导率、电导率和Seebeck系数三个参数决定。

热导率是材料导热性能的指标，而电导率则反映了材料导电性能的好坏，Seebeck系数则是衡量材料热电转换效率的重要参数。

优秀的半导体热电材料应该具有低热导率、高电导率和大的Seebeck系数。

因此，科研人员在研究半导体热电材料时，往往会针对这三个参数展开工作，以期望找到更优秀的热电材料。

目前，常见的半导体热电材料包括硒化铋、硒化铋铋、硫化铋、硒化铋锗等。

这些材料在温差发电、制冷等方面都有着广泛的应用。

然而，现有的半导体热电材料仍然存在一些问题，比如效率不高、稳定性差、成本较高等。

因此，寻找新的半导体热电材料成为了当前研究的热点之一。

近年来，一些新型半导体热电材料相继被发现，比如钙钛矿材料、拓扑绝缘体材料等。

这些材料具有优异的热电性能，有望成为未来新一代热电材料。

钙钛矿材料具有良好的电子输运性能和热子输运性能，同时具有较高的热稳定性，因此备受研究者关注。

拓扑绝缘体材料则因其特殊的电子能带结构而具有极大的Seebeck系数，被认为是潜在的优秀热电材料。

除了材料本身的热电性能，制备工艺也对半导体热电材料的性能有着重要影响。

晶粒尺寸、晶格畸变、杂质掺杂等因素都会对材料的热电性能产生影响，因此制备工艺的优化也是提高材料性能的重要途径之一。

总的来说，半导体热电材料是一类具有巨大应用潜力的材料，研究和开发高性能的热电材料对于解决能源问题、改善环境污染具有重要意义。

随着科学技术的不断进步，相信在不久的将来，会有更多优秀的半导体热电材料走进实际应用，为人类社会带来更多的福祉。

第十讲热电效应半导体的热电效应与金属材料的热电效应一样，主要有： 塞贝克效应（德国物理学家，1821年发现）珀耳贴效应（法国物理学家，1834年发现）汤姆逊效应（英国物理学家，1856年发现）式中 α 为塞贝克系数，单位为V/K ，也称为温差电动势率。

利用塞贝克效应，可制成热电偶，用来测量温度。

只要选用适当的金属材料，可测量到从 -180℃到2800℃范围的温度。

一、塞贝克效应S V Tα=∆1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，这就是热电效应，也称作“塞贝克效应”。

温差电动势的表达式为：托马斯·约翰·塞贝克（1770～1831）图1 塞贝克效应电子浓度 n 随温度的上升按指数规律增大，在半导体中产生了电子的浓度梯度，电子由高温端向低温端扩散，在低温端积累了负电荷，产生了由高温端指向低温端的自建电场。

在自建电场的作用下，电子做漂移运动，电子漂移的方向与扩散方向相反，当漂移和扩散达到动态平衡时，在半导体两端产生一电动势，即温差电动势。

温差电动势的方向：n 型半导体的高温端为“+”，低温端为“-”；而p 型半导体的高温端为“-”，低温端为“+”。

图2 半导体的塞贝克效应以 n 型半导体为例，其结构如图 2 所示， n型半导体的两端与金属以欧姆接触相连接，并保持有温度差△T ，在半导体内部形成温度梯度。

图3 塞贝克效应应用影响塞贝克效应的另一个因素是“声子曳引效应”。

当样品中存在温度梯度时，声子也将从高温端向低温端扩散，并在扩散过程中与载流子碰撞把能量传递给载流子，从而加速了载流子的扩散运动，即声子曳引作用。

增强了塞贝克效应。

可以用温差电动势的方向来判断半导体的导电类型，如图 3 所示。

n 型半导体和p 型半导体中塞贝克效应的温差电动势率分别为：C F 00n C 33ln 22E E k k n qT q q N α⎛⎫⎛⎫-=-+=-- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭0F V 0p V 33ln 222k E E k p q T q N α-=+=-1834年法国物理学家帕耳帖发现，当电流通过不同金属的结点时，在结点处有吸、放热现象。

热电材料的研究与制备热电材料是一种具有特殊热电效应的材料，是电力变换技术和无源温度控制的核心材料之一。

热电材料的应用领域广泛，可以用于发电、冷却等方面。

近年来，国内外对热电材料的研究与制备取得了一定的进展，以下做一些探讨。

一、热电材料的基本原理与研究现状热电材料主要依靠某些物质在热电场下具有不同的电导率和热导率的特点，实现把热能转化为电能或将电能转化为热能。

这种材料的获取和使用，是热电技术一大难点。

热电材料的研究和制备始于20世纪50年代。

发展至今，该领域的研究重点包括材料的选择、结构设计、性能测试等方面。

目前，已有许多热电材料被广泛应用于实际生产中。

常见的热电材料有bismuth telluride（Bi2Te3）、lead telluride（PbTe）和half-Heusler alloys等。

二、制备方法热电材料的制备方法种类繁多，不同的方法制备出来的热电材料特性也不同。

以下介绍几种主要的制备方法。

1. 电解法电解法是制备热电材料的一种常用方法。

在电解槽中加入金属离子及有机添加剂等，通过外加电场反应来得到高质量的热电材料。

这种方法相对简单，制备过程中成本较低。

但需要掌握一定的化学知识和技能，否则难以得到理想的材料。

2. 真空法真空法是一种高温无氧热解的制备方法。

将原料放置在真空环境中，加热至一定温度，使其分解并重新结晶为新材料。

该方法用于制备一些高纯度热电材料，如Bi2Te3等。

但是制备过程中的制备工艺和环境控制要求较高，成本较高。

3. 合金法合金法指将不同金属/合金混合在一起，以改变热电材料的性能。

该方法制备的材料通常具有更强的热电效应和更高的成本效益比。

三、热电材料的研究现状与展望当今，虽然热电材料的研究已经有了一定的进展，但仍存在一些挑战，如长期的制备周期，热电材料的制备方法和性能的大量缺陷等。

为了进一步提高热电材料的性能和减少制备的成本，需要进一步加强研究。

目前已有很多对热电材料进行改进和设计的方法和技术，如元素掺杂、界面控制、制备方式改进等。

半导体的热电效应及热电材料研究与应用摘要：据半导体热电效应以及制冷原理进行了分析，并分析了提高半导体热电材料热电优值的方法介绍了当今国内外半导体热电材料研究和热电材料制冷方面的应用。

关键词：热电效应；半导体热电材料；塞贝克系数；电导率；热导率；热电优值，半导体制冷；正文:一．热电效应把热能转换为电能的所谓热电效应的发现已有一个半世纪的历史，这是与温度梯度的存在有关的现象，其中最重要的是温差电现象。

但是，由于金属的温差电动势很小，只是在用作测量温度的温差电偶方面得到了应用。

半导体出现后，发现它能得到比金属大得多的温差电动势，在热能与电能的转换上，可以有较高的效率，因此，在温差发电、温差致冷方面获得了发展。

由于温度梯度及电流同时存在时引起的一些现象——主要是塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。

（1）塞贝克效应塞贝克（Seeback）效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。

在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。

塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个基本因素。

半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。

产生Seebeck效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。

例如p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷（热端有负电荷，冷端有正电荷），同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。

自然，p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端（Seebeck系数为负），相反，n型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端（Seebeck系数为正），因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。

第十讲热电效应半导体的热电效应与金属材料的热电效应一样，主要有： 塞贝克效应（德国物理学家，1821年发现）珀耳贴效应（法国物理学家，1834年发现）汤姆逊效应（英国物理学家，1856年发现）式中 α 为塞贝克系数，单位为V/K ，也称为温差电动势率。

利用塞贝克效应，可制成热电偶，用来测量温度。

只要选用适当的金属材料，可测量到从 -180℃到2800℃范围的温度。

一、塞贝克效应S V Tα=∆1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，这就是热电效应，也称作“塞贝克效应”。

温差电动势的表达式为：托马斯·约翰·塞贝克（1770～1831）图1 塞贝克效应电子浓度 n 随温度的上升按指数规律增大，在半导体中产生了电子的浓度梯度，电子由高温端向低温端扩散，在低温端积累了负电荷，产生了由高温端指向低温端的自建电场。

在自建电场的作用下，电子做漂移运动，电子漂移的方向与扩散方向相反，当漂移和扩散达到动态平衡时，在半导体两端产生一电动势，即温差电动势。

温差电动势的方向：n 型半导体的高温端为“+”，低温端为“-”；而p 型半导体的高温端为“-”，低温端为“+”。

图2 半导体的塞贝克效应以 n 型半导体为例，其结构如图 2 所示， n型半导体的两端与金属以欧姆接触相连接，并保持有温度差△T ，在半导体内部形成温度梯度。

图3 塞贝克效应应用影响塞贝克效应的另一个因素是“声子曳引效应”。

当样品中存在温度梯度时，声子也将从高温端向低温端扩散，并在扩散过程中与载流子碰撞把能量传递给载流子，从而加速了载流子的扩散运动，即声子曳引作用。

增强了塞贝克效应。

可以用温差电动势的方向来判断半导体的导电类型，如图 3 所示。

n 型半导体和p 型半导体中塞贝克效应的温差电动势率分别为：C F 00n C 33ln 22E E k k n qT q q N α⎛⎫⎛⎫-=-+=-- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭0F V 0p V 33ln 222k E E k p q T q N α-=+=-1834年法国物理学家帕耳帖发现，当电流通过不同金属的结点时，在结点处有吸、放热现象。

Sb2Te3基热电材料简介学院：理学院专业：光信息科学与技术姓名：李特学号： 0836005前言材料的热电效应(又称温差电效应)，是电能与热能之间的相互耦合转换，从发现热电现象至今己有近200年的历史，然而真正将这一现象发展为有实用意义的能量转换技术与装置则是在20世纪50年代。

热电材料(又称温差电材料)是将热能和电能进行转换的功能材料，在热电发电和制冷、恒温控制与温度测量等领域都有极为广阔的应用前景。

利用热电材料制成热电器件能够实现“热．电”的直接转换。

热电器件具有很多独特的优点，如结构紧凑、没有运动部件、工作无噪声、无污染、安全不失效等，在少数尖端科技领域己经获得了成功的应用。

近年来，随着计算机技术、航天技术、微电子技术、超导技术的发展，能源与环境危机的加剧，迫切需要小型、静态且能固定安装的寿命长的制冷装置和温差发电装置。

与此同时，热电理论的发展和对热电材料实际应用研究的不断深入，热电学研究显示出了更为广泛的应用前景和发展潜力。

热电转换技术是利用半导体材料的Seebeck效应将热能转换成电能的一种新的能源转换和发电技术。

因此，热电转换技术作为一种新型的、环境友好型能源转换技术，由于其可望广泛应用于大量而分散存在的低密度热能(如太阳热、垃圾燃烧余热、工厂排热、以及汽车尾气排热等)的热电发电，而引起世界各国特别是发达国家的高度重视。

一、热电学的基本理论热电效应是由温差引起的电效应和电流引起的可逆热效应的总称。

包括Seekbeck效应、Peltier效应和Thomson效应。

1823年，Thomas Seebeck首次发现了金属的热电效应，也称作Seebeck效应，从而开始了人类对热电材料的研究和应用。

1.1 Seebeck效应早在1821年，德国科学家Seebeck发现在锑和铜两种材料组成的回路中，当两个接点处于不同温度时，回路中便有电流流过。

产生这种电流的电动势称为温差电动势，这种现象称为赛贝克效应(Seebeckeffect)，简单的讲就是通过材料的Seebeck效应将热能直接转变为电能。