半导体热电材料共134页

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。

半导体热电材料的应用及研究进展物理与电子工程学院物理学（物理）专业 2009级袁仲富指导教师田德祥摘要：本文首先简单介绍了热电材料的三种效应以及半导体热电材料在热电发电和制冷方面的应用，然后重点介绍半导体热电材料国内外的研究进展及其方向。

关键词：半导体热电材料；塞贝克系数；电导率；热导率；热电优值Abstract:This paper first introduces the three effect of thermoelectric materials and semiconductor thermoelectric materials on thermoelectric power generation and refrigeration applications，and then focuses on the semiconductor thermoelectric materials at home and abroad research progress and its direction..Key word:Semiconductor thermoelectric materials；The seebeck coefficient；Electrical conductivity；Thermal conductivity；Thermal power optimal value1 引言从1823年，Thoums Seebeck 发现了热电效应(即塞贝克效应[1])，人们开始了解热电材料，经过一百多年的研究，人们对热点材料的研究已经取得了长足的进展。

20世纪50—60年代，由于人们在热能电能相互转化特别是制冷方面的迫切要求，人们研究了很多有价值的热电材料，其中有很多热电材料得到了广泛的应用。

70年代以来，由于氟利昂制冷技术的发展，热电材料的研究几乎处于停顿状态。

近年来，氟利昂对环境尤其是对臭氧层的破坏被人们所认识，制造无污染，无噪声的制冷机成为了制冷技术的目标。

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。

铁酸铋基半导体陶瓷材料的电阻率与热电性能的研究赵琨2006级物理学基地班20061001179（山东大学物理学院，山东济南，250100）摘要：采用传统固相烧结法分别制备了纯铁酸铋、10%铋过量的铁酸铋半导体陶瓷材料和不同元素掺杂改性的铁酸铋基杂质半导体陶瓷材料，研究了不同的掺杂改性对铁酸铋基陶瓷材料在常温下的直流电阻的影响。

实验结果表明，少量钙的掺杂取代最大程度的减小了铁酸铋基陶瓷材料的直流电阻率。

同时可以看出，少量钙的掺杂并没有使晶格发生畸变，没有改变陶瓷的微观结构，并且对晶界势垒、电导激活能的影响较小，但是却可以使其直流电阻率大大减小，从而极大的改善了铁酸铋基陶瓷材料的热电性能。

为进一步探究其热电性能，选择（Bi0.96Ca0.04）FeO3陶瓷，研究了其物相结构、直流电阻率及热电参数随温度的变化规律，并获得了最佳的热电性能。

实验结果表明，（Bi0.96Ca0.04）FeO3陶瓷的Seebeck系数在一定的温度范围内变化很小，保持在530 μV K-1左右。

在510 ℃时，（Bi0.96Ca0.04）FeO3陶瓷的电阻率达到最小，同时功率因子达到最大值，为14.2 μW m-1K-2。

本论文中首次报道了铁酸铋基陶瓷材料的热电性能，其最佳适用温度为510 ℃，最佳的热电性能为功率因子达到14.2 μW m-1 K-2。

为进一步认识铁酸铋基陶瓷材料做出了一定的探索，填补了该领域研究的一项空白，可进一步研究扩大其应用领域，提高应用价值。

关键词：铁酸铋，半导体陶瓷，电阻率，热电性能中图分类号：O482.6Research on electrical resistivity and thermoelectric properties of bismuth ferric based semiconductiveceramic materialsZhao Kun(School of Physics, Shandong University, Jinan 250100, China) Abstract: Pure bismuth ferric, 10% excess of bismuth of the bismuth ferric semiconductor ceramic materials and different elements of the doped bismuth ferric based impurity semiconductor ceramic materials were prepared by the traditional solid-phase sintering. The effects on DC resistance at room temperature of different doping modification of the doped bismuth ferric based impurity semiconductor ceramic materials were studied. The Experimental results show that a small amount of calcium doping reduced the DC resistance at room temperature of different doping modification of the doped bismuth ferric based impurity semiconductor ceramic materials to the utmost extent. At the same time, we can see that a small amount of calcium doping does not cause the crystal lattice to have the distortion, no change in the ceramic micro-structure, and has no influence on the grain boundary barrier and the conductance activation energy, but it can substantially reduce the rateof DC resistance, which may greatly improve the thermoelectric properties of the doped bismuth ferric based impurity semiconductor ceramic materials. In order to further explore its thermoelectric properties, (Bi0.96Ca0.04)FeO3 ceramics was selected, the phase of their structure, the rule of change of resistivity and thermoelectric properties with the temperature were studied and the best thermal performance were obtained. The results show that, (Bi0.96Ca0.04)FeO3 ceramics has a Seebeck coefficient, whose change is very small of a certain range of temperature, remain at 530 μV K-1or so. At 510 ℃,the rate of resistance is the smallest, while the power factor achieves the maximum value at the same time, for 14.2 μW m-1. This paper reported in the thermoelectric properties of the bismuth ferric based semiconductor ceramic materials for the first time, the application of the best temperature is 510 ℃, the best performance of thermoelectric power factor reaches 14.2 μW m-1. This paper made a certain amount of exploration, which can be made to fill a gap in the study in this area, in order to further understand the bismuth ferric based semiconductor ceramic materials. Further study may be made in order to expand its applications and to enhance the value.Key words:bismuth ferric, semiconductive ceramics, electrical resistivity, thermoelectric properties1.引言1.1 热电材料热电材料也称为温差电材料，是一种能够实现热能和电能之间直接相互转换的功能材料。

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。

1.0 热电制冷的介绍1.1 热电制冷器，也被称为珀尔帖制冷器，是一种以半导体材料为基础，可以用作小型热泵的电子元件。

通过在热电制冷器的两端加载一个较低的直流电压，热量就会从元件的一端流到另一端。

此时，制冷器的一端温度就会降低，而另一端的温度就会同时上升。

值得注意的是，只要改变电流方向，就可以改变热流的方向，将热量输送到另一端。

所以，在一个热电制冷器上就可以同时实现制冷和加热两种功能。

因此，热电制冷器还可以用于精确的温度控制。

1.1.1为了给新用户提供一个热电制冷器制冷量的大致概念，我们首先以一个典型的单级热电制冷器为例。

将这个单级热电制冷器放置在散热器上，使其保持在室温。

然后将其连接在一个适当的电池上或者直流电源上，制冷器的冷端温度会降低到大约-40 ℃。

此时，制冷器上将达到相对热平衡状态，而且制冷器两端将达到最大的温差(D T max)。

如果向冷端不断输入热量，冷端温度会逐渐增加，直到与热端温度相同。

这一时刻，制冷器会达到最大制冷量(Q max）。

1.2热电制冷器与传统的机械式制冷器都遵循相同的热力学法则，并且，尽管两者的组成形式有很大不同，但是其工作原理却是相同的。

在机械式制冷单元中，首先使用压缩机增加液体的压力，使制冷剂在体系中循环流动。

然后，制冷剂在冷冻区固化，在随后的升华过程中吸收热量使冷冻区温度降低。

而在冷冻区被吸收的热量被运输到压缩机，并通过制冷剂压缩这个过程将热量传递给环境。

相对的，在热电制冷系统中，掺杂的半导体材料就充当了液态制冷剂的作用，而冷凝器被散热器所取代，压缩机被直流电源所取代。

通过在热电制冷器上加载直流电源，使半导体中的电子发生运动。

在半导体材料的冷端，热量被电子运动所吸收，这些电子运动到材料的另外一端，即热端。

由于材料的热端连接在散热器上，热量也就从材料体内传到散热器上，然后再被输送到环境中。

1.3尽管商业化的热电制冷器在1960年前后才有所发展，但是热电制冷器的物理理论可以追溯到19世纪早期。