半导体热电材料研究进展
文章绾号：ｌ∞１—９７３ｌ【２０００）０２—０１１６—０３
半导体热电材料研究进展。
刘宏１一．王继扬１
（１＿山东大学晶体材料国家重点实验室，山东济南２５０１００；２山东轻工业学院无机材料系。山东济南２５０１００）
摘要：末文＾Ｌ讨诂热电材料的?睦能出发．讨论了提高半导体热电性能的主要逮径，介绍了主要的半导抹热电材料特别是近年来的进展情况。展望了其应用前景，并提出了亟待解决的问题。
关键词：半导体热电材料；热电性；热电系数；热导率
中雷分类号：０４７２７
１引言
１８２３年，ＴｈｏｕｍｓｓＢｅｂｅｃｋ首次发现了热电效应（过去一般译为温差电效应）…，从而开始了人类对热电材料的应用。５０～６０年代．由于人们在热能／电挠相互转化特别是在电制冷方面的迫切要求，使得热电材料得到了迅速地发展。人们研究开发了多种有价值的热电材料，其中有些材料得到了较广泛的应用。７０年代以来．由于氟利昂制冷技术的迅速发展，使碍热电制冷和热电材料的研究受到冷落，并几乎陷入了停顿状态。近年来，由于氟利昂对环境的破坏作用已被人们普遍认识．制造无污染无噪声的翩冷机成丁制冷技术追求的目标。同时，随着计算机技术、航天技术和超导技术及微电子技术的发展，迫切需要小型、静态制持且能固定安装的长寿命的制冷装置。因此，适于制造这种装置的热电材料又重新引起人们浓厚的＊趣。恒是，较成熟的几类热电材料的热电转换效率较低，除作为特殊用外不适于一般的应用．另外，超导电子学及激光技术的发展对热电材料的性能提出了更高的要求。近几年来，由于热电理论的发展和对热电材料实验研究的不断深入．热电材料的研究有了较大的进展并重新显示出了广泛的应用前景。由于国内这方面的研究工作开展较步，本文搬从热电材料的性能出发．对这种材料的性能及其提高途径进行简要介绍．井对这种材料最新研究情况进行综述，以期引起国内材料研究工怍者对这类材料更多的关注。
２提高半导体材料热电性能的途径
材料的热电性髓一般用热电灵敏值（又译为热电优值）ｚｕ’＾２．
来描述：ｚ＝羔！：其中，ｓ为ｓｅｅｂｅｃｋ系数．又称热电系数．口为电导率．ｘ为导热系数。因为不同环境温度下材料的热电灵敏值不同．习惯上，人们常用热电系数与温度之积ｚ丁这一无量纲量来描述材料的热电性能（ｒ是材料的平均温度）。
实际上．大多数金属及半导俸材料都具有程度不同的热电性能．但具有较高的ｚ或ｚ丁值适用于热电换能器的材料却较步。一般情况下．金属材料ｓｅｅｂｅｃｋ系数较低，只适于热电测
?收播日期：１螂一１２２８
１１６量．某些半导体材料．特别是合金半导体材料具有较高的ｓ∞．ｂｅｄ（系数，是热电换能器的首选材料。显然，最大限度地提高材料的热电灵敏值即提高材料的热电转换效率是热电材料发展的方向，目前，提高热电材料的热电灵敏值主要有以下几种途径。
２１寻拽具有较高的ｓＢｅｂｅ呶系数的材料
每种半导体材料都具有一定的８∞ｂｅ睐系数．材料的ｓ∞．ｂｅｃ｝（系数与材料的晶体结构、化学组成及能带结掏等有关。利用理论计算和实验的方法寻找高热电灵敏值材料当然是一条有救的途径，但材斟的构型及化学组成确定后．若想得到性能更好的材料还需通过以下途径。
２．２提高材料的电导率
显然．通过提高载流子浓度和载流子迁移率从而提高热电半导体材斟的电导率可以提高材料的热电灵敏度．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ｓｅｅｂｅｃ｝（系数却随着电导率的进一步提高而较大幅度地下降【３?“。从而使热电灵敏值的分子项ｓ２口可调范围受到限制．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。
２．３降低材料的热导率
材料的热导率由两部分构成眵】．一部分是电子热导率，即电子运动对热量的传导，另一部分是声子热导率．即声子振动产生的热量传递部分，即．Ｋ＝Ｋ。＋Ｋ。。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很大程度的限制。所幸的是，半导体热电材料中电子热导率占总热导率的比例较小【引，因此，通过降低声子热导率来调节材料的热导率几乎成了提高半导体热电材料热电灵敏值最主要的方法。
材料声子热导率与材料内部的声子散射有关。从降低声子衍射的各种因素出发，可以从以下几个方面降低半导体热电材料的热导率。
（１）一般情况下．如果材料是由多种原子组成的大品胞构成的复杂结构晶体时．其声子散射能力较强，因此寻找具有这类结构的且具有较高的ｓ鼬ｅｃＩ【系数的材辩是热电材料研究的必然途径之一。事实证明，一些热电性能较好的材料大部分都具备这类结构。另外。为了使材料的晶体结构更复杂化．可以通过掺杂或不同材料之间形成固藩体的办法来提高声子的散射能力，这类工怍目前正刚刚开始．并初步取得了一些成果¨Ｊ。
（２）在某些具有较大孔隙的特殊结构的热电材料的孔隙中，填入某些尺寸合适质量较大的原子．由于原子可以在笼状孔晾内振颤，从而可以大大提高材斟的声子散射能力．使热导率提
（功能材料）加呻．３ｌ但）
万方数据