热电性材料的新况综述
新型热电材料的研究进展
新型热电材料的研究进展热电材料是一种能够将热能转化为电能或者将电能转化为热能的材料。
随着科技的不断发展，人们对热电材料的研究也日益深入。
新型热电材料的研究进展，为我们带来了许多新的发现和应用。
本文将介绍新型热电材料的研究进展，包括其特点、应用领域以及未来发展方向。
一、新型热电材料的特点新型热电材料相较于传统材料具有许多优势。
首先，新型热电材料具有更高的热电转换效率，能够更有效地将热能转化为电能或者将电能转化为热能。
其次，新型热电材料具有更好的稳定性和耐高温性能，能够在极端环境下工作。
此外，新型热电材料还具有更好的环保性能，对环境的影响更小。
总的来说，新型热电材料在性能上有了很大的提升，为其在各个领域的应用奠定了基础。
二、新型热电材料的应用领域新型热电材料的应用领域非常广泛。
首先，在能源领域，新型热电材料可以用于开发新型的热电发电设备，提高能源利用效率。
其次，在航天航空领域，新型热电材料可以用于制造航天器和飞机的动力系统，提高其性能和稳定性。
此外，在电子产品领域，新型热电材料可以用于制造高效节能的电子产品，推动电子产品的发展。
总的来说，新型热电材料在各个领域都有着重要的应用前景，将为人类社会的发展带来巨大的推动力。
三、新型热电材料的未来发展方向未来，新型热电材料的研究方向主要集中在提高其性能和降低成本。
首先，研究人员将继续探索新型热电材料的结构和性能，寻找更高效的热电转换材料。
其次，研究人员将致力于降低新型热电材料的制备成本，推动其在工业生产中的应用。
此外，研究人员还将探索新型热电材料与其他材料的复合应用，进一步提高其性能和稳定性。
总的来说，新型热电材料的未来发展方向将更加多样化和前瞻性，为其在各个领域的应用带来更多可能性。
综上所述，新型热电材料的研究进展为我们带来了许多新的发现和应用，其在能源、航天航空、电子产品等领域都有着重要的应用前景。
未来，随着研究的不断深入，新型热电材料的性能将得到进一步提升，应用领域也将更加广泛。
热电材料及其最新进展
三、热电材料的研究现状
1、热电材料的研究进展
ZT
Ioffe提出半导体 热电理论
AgPb18SbTe20 NaCoO2、
量子点、
量子线、 超晶格等
2.0
主要是金属
Bi2Te3、PbTe SiGe
Zn4Sb 方钴矿
1.0
低维热电材料
0.5 1821
1834 1855 1949 1990 1997 2004
(2) Peltier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Peltier效应。
（3) Thomson效应
1854年，Thomson发现当电流通过一 个单一导体，且该导体中存在温度梯度 时，就会产生可逆的热效应，称为 Thomson效应。Peltier效应和Thomson 效应都是电制冷（或电制热）效应，但 是由于Thomson效应是一种二级效应， 实际应用价值不大。
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。目前研究发现，层 状过渡金属氧化物是一种很有前途的热，类似于玻璃， 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，可利用温度变 化时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。
3.热电性能评价
效率高，则ZT和ΔT大，ΔT大意味着热导率 小 通常用无量纲热电优值zT来衡量材料的热电 性能
热电材料的研究现状及发展趋势.doc
热电材料的研究现状及发展趋势摘要热电材料能够直接将电能和热能进行互相转化。
由它制成的温差发电器不需要使用任何传动部件，工作时无噪音、无排弃物；和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，是一种性能优越，具有广泛应用前景的环境友好型材料。
本文系统阐述了传统热电材料和新型热电材料的研究现状，介绍了各系列热电材料的热电性能及适用范围等，指明了英今后的发展方向。
关键词热电材料，温差发电，温差发电机，Seebeck系数，掺杂1引言在以原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［1〜3］。
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。
热电材料又叫温差电材料，具有交叉耦合的热电输送性质；是一类具有热效应和电效应相互转换作用的新型功能材料，利用热电材料这种性质，可将热能与电能进行直接相互转化［4〜6］。
用不同组成的N型和P型半导体，通过电气连接可组成温差发电器件和半导体制冷装置。
与传统发电机和制冷设备相比，半导体温差发电器和制冷器具有结构简单、不需要使用传动部件、工作时无噪音、无排弃物，和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠，使用寿命长, 是一种具有广泛应用前景的环境友好材料[7〜10] o2热电材料的理论基础19世纪德国科学家Thomas Seebeck观察到，当两种不同的金属构成一闭合回路，若在两接合点存在有温度差时，则回路中将产生电流，此种效应被命名为Sccbeck Effect,这也成为了温差发电技术的基础。
2. 1热电材料的三个效应热电材料的研究是一个古老的话题，早在1822-1823年，塞贝克(Seebeck)就曾在《普鲁士科学院报》屮描述了一个当时他这样断定的现象：在彼此接合的不同导体中，由于温度差的影响，就会出现自由磁子。
热电聚合物材料的研究现状与前景
热电聚合物材料的研究现状与前景热电聚合物材料是一种具有很高应用潜力的新型材料，可以将废热转化为电能，具有重要的环保意义和经济效益。
在国内外，科研界正开展着大量的热电聚合物材料研究工作，不断探索其性能和应用前景。
1. 热电聚合物材料的基本原理热电材料之所以能将废热转化为电能，归功于它的“热电效应”。
热电效应是指热电材料在温差作用下出现的电势差和电流的现象，它由“Seebeck效应”和“Peltier效应”两部分组成。
其中，Seebeck效应指的是在温度差作用下，材料两端产生的电势差，而Peltier效应则是指电流经过材料时，会吸收或释放热量。
这两种效应相辅相成，从而实现了废热的有效利用。
2. 热电聚合物材料的研究现状国内外近年来，热电聚合物材料的研究取得了不少成果。
在国际上，美国、日本等国家的科学家们最先开始了热电聚合物材料的研究，美国的NASA等机构已经成功制备出高性能的聚合物热电材料，并开展了大规模的应用试验。
在国内，我国科研人员们也在积极研发热电聚合物材料。
目前，国内热电材料研究的主要方向是高分子复合材料。
我国科研人员也成功制备出了一些具有一定性能的高分子热电材料，并使用相关技术进行了热电器件的制备和性能优化。
此外，还有一些科研人员正在探索新型的热电材料，如基于生物质的热电材料等。
3. 热电聚合物材料的应用前景热电聚合物材料具有广泛的应用前景。
目前，其主要应用领域包括汽车制造、航空航天、数码产品等领域。
例如，在汽车制造领域，热电聚合物材料可以将废热转化为电能，从而为车辆的电子设备供电，提高汽车燃油利用率，降低了车辆的碳排放量。
此外，在航空航天领域，它也可以利用飞机上的废热进行电力输出，提高航空器的经济性。
而在数码产品领域，热电聚合物材料可以将电子设备产生的废热转化为电能，为设备充电，缩短充电间歇时间。
总之，热电聚合物材料的研究现状和应用前景都非常乐观。
虽然在材料制备和应用方面，还存在一些技术难点和问题，但是有理由相信，在科研人员的联合努力下，这种具有环保、经济效益和广泛应用前景的新型材料必将得到更加广泛的推广和应用。
2024年热电材料市场发展现状
2024年热电材料市场发展现状背景介绍热电材料是一种能够将热能转化为电能的材料，具有重要的应用潜力。
在当前全球能源紧缺和环境污染日益严重的情况下，热电材料的应用领域不断扩大，并受到了广泛的关注。
本文将通过对2024年热电材料市场发展现状的分析，探讨热电材料的应用前景和市场潜力。
市场规模目前，热电材料市场规模逐年扩大。
根据市场调研机构的数据显示，2019年全球热电材料市场规模达到XX亿美元，并预计在未来几年内将以X%的年均复合增长率增长。
这主要受到全球节能减排的政策推动以及热电技术不断创新的影响。
应用领域汽车行业在汽车行业中，热电材料可以应用于汽车座椅、排气管和发动机等部件，将废热转化为电能，提高汽车的燃油效率。
此外，热电材料还可以应用于汽车的电动辅助加热系统，提供车内的供暖和空调。
由于汽车制造业不断发展壮大，热电材料在汽车行业的应用前景广阔。
工业领域在工业领域中，热电材料可以应用于工业炉窑和热处理设备中，将高温热能转化为电能。
这可以实现能源回收和节能减排的目标，减少企业的能源开支和环境污染。
热电技术在工业领域的应用已经取得了一些成功案例，并受到了一些大型企业的广泛关注。
器械设备热电材料还可以应用于一些器械设备中，如手持式电动工具、移动通信设备和可穿戴设备等。
通过将设备产生的热能转化为电能，可以延长电池续航时间或减少充电频率，提高设备的使用便利性和用户体验。
技术挑战虽然热电材料市场的发展前景广阔，但仍面临一些技术挑战。
首先，目前热电材料的转化效率较低，限制了其在实际应用中的推广和应用。
其次，热电材料的成本相对较高，需要进一步降低成本，提高其竞争力。
此外，可靠性和稳定性也是热电材料面临的挑战之一，需要进一步研究和改进。
市场竞争格局热电材料市场存在着激烈的竞争。
目前，全球热电材料市场的主要参与者包括台湾的瑞萨电子、美国的热电技术公司、中国的中科院上海宝矿石等。
这些公司在热电材料的研发和应用方面都具有一定的竞争优势，推动了市场的发展和创新。
热电材料的研究现状及展望
热电材料的研究现状及展望热电材料的研究现状及展望热电材料是一类具有特殊性质的材料，可以将热能转化为电能，或者将电能转化为热能。
这种材料不仅在能源领域有着广泛的应用，也在环境保护和电子器件等领域起着重要作用。
热电材料的研究与发展一直是科学家们的重要任务之一。
本文将对热电材料的研究现状及其未来的展望进行探讨。
1. 热电材料的定义与原理介绍1.1 什么是热电材料热电材料是指能够实现热电效应的材料，即通过热梯度产生电压差或通过电压差产生热梯度的材料。
热电效应是指材料在温度差异作用下出现的电与热之间的相互转化现象。
1.2 热电效应的原理热电效应源于材料内部的电荷载流子在温度差异作用下发生迁移。
具体来说，在温度梯度作用下，电荷载流子会从高温区域向低温区域迁移，产生电势差；而在电场作用下，电荷载流子会发生迁移，产生热流。
这样，热电材料就可以实现热能到电能或电能到热能的转化。
2. 热电材料的研究现状目前，热电材料的研究主要集中在以下几个方面：2.1 热电材料的性能优化热电材料的性能优化是热电材料研究的重要方向之一。
研究人员通过合理设计材料结构、调节组分比例以及改变材料微观结构等手段，不断提高热电材料的热电性能，包括提高热电转化效率和热电耦合系数等。
2.2 可持续能源利用随着全球对能源的需求不断增长，人们对可持续能源的需求也越来越迫切。
热电材料作为一种可实现热能与电能转换的材料，具有广阔的应用前景。
研究人员正在探索利用热电材料来转化废热、太阳能、生物热等可再生能源为电能的方法，以实现能源的有效利用。
2.3 热电材料的多功能应用热电材料不仅可以用于能源领域，还可以在其他领域发挥重要作用。
在环境保护领域，热电材料可以用于制备具有抗菌、防污染等特性的材料；在电子器件领域，热电材料可以用于制备高效的热电能量转换器件等。
3. 热电材料研究的展望针对热电材料的研究，未来有以下几个发展方向：3.1 纳米材料的应用纳米材料具有较大的比表面积和较短的电子或热子传输路径，因此很适合用来制备高性能的热电材料。
新型热电材料的研究进展
新型热电材料的研究进展
近年来，随着科技的发展，新型热电材料的研究受到了广泛的关注，为热电能源在各个领域的应用提供了可能。
新型热电材料不仅能够克服传统热电材料热电性能的局限性，而且具有更高的稳定性和可控性。
本文将重点介绍新型热电材料的研究进展。
首先，介绍了新型热电材料在高温应用中的研究进展。
由于高温环境中的热电材料具有较高的热稳定性，很多新型热电材料都用于高温应用。
例如，研究者采用碳纳米管和金属等复合材料，可以提高热电材料的操作温度。
此外，一些具有内外层材料结构的新型热电材料，也可以提高热电材料的高温应用性能。
其次，介绍了新型热电材料在低温应用中的研究进展。
近年来，新型热电材料在低温应用中的研究也得到了很大的进展。
例如，研究者采用多孔结构的热电材料，能够提高热电材料在低温环境中的热电性能。
此外，通过采用聚合物、金属以及金属氧化物等复合结构，可以有效地改善低温热电材料的热电性能。
最后，介绍了新型热电材料在超低温应用中的研究进展。
尽管真空技术在超低温环境中的应用仍然存在问题，但研究者仍不断尝试将新型热电材料应用到超低温环境中。
热电材料的研究现状及展望
８ ０・
科 技 论 坛
热 电材 料 的研 与电子工程学院 ， 黑龙江 哈 尔滨 １ ５ ０ ０ ０ １ ）
摘 要： 本 文 综 述 了不 同种 类 热 电材 料 的 结 构特 征 和 热 电性 能 。 归纳 了提 高热 电材 料 的 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 电优 值 ； 塞 贝克 效 应 ； 制 冷 剂
１热 电材料研 究 的现实意 义 金属化合物及其固溶体合金如 Ｂ ｉ ２ Ｔ ｅ Ｃ ３ ｂ ： Ｔ ｅ ， 、 Ｐ ｂ Ｔ ｅ 、 Ｓ ｉ Ｇ ｅ 、 Ｃ ｒ Ｓ ｉ 等。 进入 ２ １ 世纪以来 ， 随着全球工业化的发展 ， 人类对能源的需求不 表 １不 同工作温 度 的热 电材料ｎ ｑ 断增长， 在近百年中， 工业的消耗主要以化石类能源为主。人类正在消 温度／ ℃ 材 料 耗地球 ５ ０ 万年历史中积累的有限能源资源 ， 常规能源 已面Ｉ 临 枯竭。全 ３ ００ ４ ００ Ｂ ｉ ２ Ｔｅ ３ Ｓｂ ２ Ｔｅ ３ Ｆ ｉ ｇ＂ ｒ ｅ Ｚ ｎＴｅ ≈７ ０ ０ Ｐ ｂ Ｔ ｅ Ｓ ｂ Ｔ ｅ Ｂ ｉ （ ｓｉ Ｔ ｅ ２ ） Ｂ ｉ ２ （ Ｇ ｅ Ｓ ｅ ） ３ ｃｅ ㈨Ｆ ｅ ３ Ｃ ｏ Ｓ ｂ ｌ ２ 球已探明的石油储量只能用到 ２ ０ ２ ０ 年 ，天然气只能延续到 ２ ０ ４ ０年左 ≥ ７ ００ Ｃｒ Ｓｉ ２ ＭｎＳ ｉ１ ７ ３ Ｆ ｅＳｉ ２ Ｃ ｏＳｉ 右， 煤炭资源也只能维持 ２ ３ ０ ０ 年左右。 且这两种化石燃料 ， 在使用时排 放； ｋ ３ Ｒ的 Ｃ Ｏ 、 Ｓ Ｏ ： 、 Ｎ Ｏ、 Ｎ Ｏ ： 等有害物质 ， 严重污染 了大气环境 、 导致温 ３ ． ２方 钻矿 型 （ Ｓ ｋ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｕ ｄ ｉ ｔ ｅ ） 热 电材 料 。Ｓ ｋ ｕ ｔ ｔ ｅ ｒ ｕ ｄ ｉ ｄ ｅ 材 料 的通式 室效应和酸雨。引起全球气候变化 ， 直接影响人类的身体健康和生活质 为 Ａ Ｂ ， ， 复杂 的立方晶格结构是这类材料显著特点 ， 其单位 晶胞中含有 量， 严重污染水土资源 。因此 ， 开发新型环保能源替代材料已越来越受 ３ ２ 个原子 ，最初主要研究 Ｉ ｒ Ｓ ｂ ， ， Ｒ ｈ Ｓ ｂ ， 和Ｃ ｏ Ｓ ｂ ， 等二元合金 岫，其 中 到 世界 各 国的重视 。 Ｃ ｏ Ｓ ｂ 的热电性能较好。尽管二元合金有具有 良好 的热 电性能 ， 但其热 ２影响热电转换效率的因素及提高半导体材料热电－ 眭能的途径 电数据受到热导率的限制旧 。 热 电材 料 的性 能取决 于 其热 电优 值 ， Ｚ ＝ Ｓ ２ ｏ － ￣。所 以 热点 性 能的 ３ ． ３金属硅化物型热电材料。 过渡元素与硅形成的化合物在元素周 好坏主要由 Ｓ ｅ ｅ ｂ ｅ ｃ ｋ 系数（ ｓ ） 、 热导率（ ） 、 电导率（ 盯 ） 三个参数决定。Ｓ 、 期表中被称为金属硅化物。 常见的有 Ｆ ｅ Ｓ ｉ ， Ｍｎ Ｓ ｉ ， Ｃ ｒ Ｓ ｉ 等。 温差发电主 盯 、 入 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 要应用这类材料有较高的熔点。具有半导体特征的 ￣ － Ｆ ｅ Ｓ ｉ ， 并且它的 杂水平和结构日 。所以每种热电材料都其各 自的工作温度范围， 常用热 价格低廉 、 无毒、 高抗氧化陛。 所以刚开始主要研究该类金属硅化物。 当 电优值与温度之积 Ｚ Ｔ （ Ｔ是材料的平均温度） 这一无量纲来描述材料的 向 ￣ － Ｆ ｅ Ｓ ｉ ， 中掺入不同杂质 ， 可制成 Ｐ型或 Ｎ型半导体 ， 这类热电材料 热 电性 能 ： 适合于在 ２ ０ ９ ０ 温度范 围内工作 。 ＺＴ ＿Ｓ － ２ Ｔ＆ ｈ ３ ： ４氧化物型热电材料。 氧化物型热电材料的主要特点是可以在氧 Ｚ Ｔ 值 的高低可反映热电材料的好坏。 化气氛里高温下长期工作， 大多数无毒 陛、 无环境污染 ， 且制备简单 ， 制 方面 ， 采用新工艺 、 新技术改善和提高传统热电材料的综合性能； 样时在空气中可直接烧结 ， 无需抽真空， 成本费用低 ， 安全且操作简单 ， 另一方面 ， 采用新思路 、 新途径开发新型热电材料。 因而备受人们的关注。 首先 ， 寻找具 有较 高的 Ｓ ｅ ｅ ｂ ｅ ｅ ｋ系数（ ｓ ） 的材料 ， 材料 的 Ｓ ｅ ｅ ｂ ｅ ｅ ｋ ４热 电材料 的应 用 系数与材料的晶体结构、 化学组成及能带结构等有关。 通常利用实验的 热电材料主要应用有 ： 温差发电、 热电制冷 、 作为传感器和温度控 方法 和理论 计 算寻找 高热 电灵 敏值 。 制器在微电子器件和 Ｅ ＭＳ中的应用。 可将热电发电器应用于 ＾ ． 造卫星 其次， 提高材料的电导率， 可以通过以下途径提高： 上可实现长效远距离 ， 无＾ 维护的热 电发电站。它在工业余热 、 废热 和 （ １ ） 适当的提高载流子浓度 ； （ ２ ） 减小晶格热导率与载流子迁移率 低品味热温差发电方面也具有很大的潜在应用。热电制冷不需要氟利 的比； （ ３ ） 转换晶体取向； （ ４ ） 改变颗粒尺度提高颗粒间导电和声子散射 昂等制冷剂 ， 就可以替代 目前用氟利昂制冷 的压缩机制冷系统。 制冷又 的效果 ， 改变颗粒定向分布的方向。（ ５ ） 从提高载流子浓度和载流子迁 １ ； 助Ⅱ 热的特 可方便地实现温度时序控制。 还可以应用于医学、 高性能 移率 的方法 提高 材料 的电导目 。 接收器和商 陛能红外传感器等方面， 同时还可以为电子计算机、 广通讯 通过以上方法可以有效提高电导率 ，但同时 Ｓ ｅ ｅ ｂ ｅ ｅ ｋ 系数也较大 及激光打印机等系统提供叵温环境。 另外 ， 热电制冷材料为超导材料的 幅度地下降。 所以从整体上来看热电优值并没有得到提高。 改变晶体取 使用提供低温环境Ｂ 。因为这两类热 电设备都无振动 、 无噪音 ， 也无磨 向对提高电导率效果不是很明显 ，整体来看这样会导致热电优值的下 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 ， 降。 是 十分理 想 的电源 和制冷器 。 提高热电材料的热电性能主要途径应从降低材料的热导率人手 。 热电发电在医用物理学 中，可开发一类能够 自身供能 目无需照看 材料的热导率 由电子热导率（ ） 和声子热导率（ 。 ） 组成。 即 。 。 材 的电源系统； 美 国宇航局发射的“ 旅行者一号” 和“ 伽利略火 星探测器 ” 料较高热导率使 的调节受到很大程度限制 。由于 值较小 。 不会 等宇航器上唯—使用的就是放射性同位素供热的热电 发 电器；热电发 受到太大影响。 因此， 主要通过降低 。 来提高材料热电灵敏值。 。 与材 电可应用于自然界温差和工业废热发电， 可实现非污染能源， 创造 良好 料内部的声子散射有关 ： ． 的综合社会效益 ； 利用帕尔帖效应制成的热 电制冷机具有 ： 尺寸小 、 质 （ １ ） 多种原子组成的大晶胞的声子的散射能力较强。 并可以通过掺 量轻 、 无噪声 ， 无液态或气态介质 ， 不存在污染环境的问题 ； 光通信激光 杂或不同材料之间形成固溶体的办法提高声子的散射能力 。 （ ２ ） 将适合 二极管、 微型电源 、 红外线传感器和微区冷却都是由热电材料制备的微 尺寸质量较大的原子填人较大孔隙的特殊结构 中，这样就可 以通过原 型元件制成的。新型热电材料的研究可以减少环境污染。 子在笼状孔隙内振颤 ， 来提高材料声子的散射能力。（ ３ ） 提高多晶半导 ５展 望 、 体材料中晶界对声子的散射作用 ，一维层叠状结构材料热导率随材料 热电材料三大效应的发现距今已有 １ ０ ０ 余年的历史 ，在前人研究 叠层厚度的降低而降低，若能制成纳米厚度且各层晶体取向不同的纳 和探索的基础上， 取得了＿定的成绩。 随着科学的进步以及现代化的进 米级超晶格该材料的 Ｚ Ｔ值将比块体材料提高 ｌ ０倍， 达室温下 ６ ． ９ 。另 程 ， 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 外， Ａ ｎ ｎ Ｈ， ｅ ｔ ａ ｌ 有关不同晶粒尺寸的 Ｃ ｏ Ｓ ｂ ， 材料 的传输性能研究表明 域的—个新的热点。为得到更好 的进展与突破，今后研究重点应集中 目 微米级晶粒尺寸的减小可以检测出热电性能的提高。 在： （ 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 ３热 电材料 的种 类 构的 Ｓ ｅ ｅ ｂ ｅ ｃ ｋ系数（ ｓ ） 、 热导率（ ） 、 电导率（ 叮 ） 三个参数的计算 ， 寻找更 ３ ． １半导体金属合金型热电材料。 目前 ， 热电材料的种类繁多， 按材 高 �
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
热电性材料的新况综述
摘要：
热电材料是一种能将电能与热能相互转换的功能材料,近年来备受关注。
从低维热电材料、热电器件及其应用等方面综述了热电材料研究的最新进展,并展望了今后的发展方向。
关键词：热电材料热电性能热电器件
前言
矿物当温度变化时，在晶体的某些结晶方向产生荷电的性质称为热电性。
矿物的焦电性主要存在于无对称中心、具有极性轴的介电质矿物晶体中。
如电气石、方硼石。
热电性是指矿物宝石在外界温度变化时，在晶体的某些方向产生荷电的性质。
热电性最初发现于石英中(1824)。
某些晶体的电极化强度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷的性质。
它只能发生在不具有中心对称的晶体中。
在32种晶体的宏观对称类型中，只有10种具有惟一的极轴；晶体中离子沿极轴正反两个方向的配置不完全相同而产生电矩，导致晶体沿极轴方向出现一个宏观不等于零的固有极化强度P。
通常在晶体表面上总电矩的正负端容易吸附异性电荷直到完全抵消总电矩所产生的宏观电场,所以这种固有极化并不表露出来。
但是P与温度有关;当温度变化时由于P的改变而释放出表面吸附的部分电荷，这种现象称为热电效应；国内亦曾译为热释电效应。
具有热电性的晶体称为热电体。
当温度变化ΔT时，P的变化ΔP的分量称pi为热电系数。
经过人工极化的铁电体(见铁电性)都具有热电性，P等于剩余极化强度P r；对于铁电单晶体，可以做到P十分接近等于自发极化强度P s。
热电效应的大小与晶体所受的机械约束有关。
在被钳制不能发生形变的晶体中出现的热电效应为一级效应，或称主效应。
在自由晶体中，除一级效应外还有因热膨胀所诱导的压电效应也会改变表面吸附的电荷量，这是次级热电效应。
晶体的温度、应力或应变不均匀时所引起的附加作用属于三级热电效应，亦称假热电效应。
当晶体的弹性常数、压电系数和膨胀系数的温度变化关系为已知时，可以通过计算分出一级和次级效应对热电系数的贡献。
例如Li2SO4·H2O的总热电系数为86.3×10-6C/(m2·K)；其中一级效应贡献60.2×10-6C/(m2·K),次级效应贡献26.1×10-6C/(m2转·K)。
典型的热电晶体的p值为10-5数量级。
在恒定温度下要产生相当于ΔT＝1°C所引起的ΔP值，需施加70kV/m的外电场。
铁电体的热电效应比非铁电体例如电气石、CdS等大很多,并且p值与温度有关；靠近居里点时铁电体的热电系数变得特别大。
热电体有重要和广泛的应用，如红外探测器、热电激光量热计、夜视仪以及各种光谱仪接收器等。
它的优点是不用低温冷却，但目前灵敏度比相应半导体器件稍低。
近年来随着新材料设计理念和新工艺新技术的迅速发展，热电材料的研究取
得了很大进展。
本文从低维热电材料、热电器件及其应用等方面对有关研究进行综述。
1 低微热电材料
1.1 二维热电材料
热电材料维度降低时，其费米能级附近的电子态密度增加，从而使得载流子的有效质量增加，有助于提高材料热电性能。
低微材料的研究主要基于两个方面：一是利用量子限制效应来提高Seebeck系数，或者单独控制Seebeck系数和电导率；二是利用大量的界面有效地对声子进行散射，或者是有选择性地散射声子，在不影响电导率的前提下，大幅度降低热电材料的电导率。
Hicks等报道的理论分析表明对于厚度小于几个纳米的量子阱结构，其α²随量子阱厚度的减小而增加，此理论在纳米晶格的研究上有很好的应用。
T.C.Harman等利用分子束外延（MBE）法制备了Bi掺杂的n型PbSeTe/PbTe量子点超晶格（QDSL），由于其极低的热导率（约0.33W/(m.K)），ZT值在550K时达到3。
Ohta等制备了具有高密度2DEG（Two-dimen-sional electron gas）的SrTiO3薄膜，其Seebeck系数
约为块体的5倍，性能最好的样品|а|=850uV/K,cm，参考块体单晶SrTiO3在室温下的热导率，ZT值达到2.4。
1.2 纳米线和纳米颗粒
Boukai等利用SNAP方法制备了单晶Si纳米线，通过掺杂硼得到p型半导体，200K时ZT值为1，相比块体Si性能提升100倍。
但对于纳米线、纳米管、纳米棒、纳米颗粒来说，由于它们尺度太小，很难直接使用，只能添加到块体材料原料中，进行二次成型，一些纳米结构会保留在成型后的块体材料内部，有利于提升块体热电材料的性能。
Poudel等利用球磨法制备了纳米BiSbTe粉末，再通过热压烧结得到p型Bi2-Sb2-Te3块体，在100摄氏度时ZT值达到1.4.材料内部存在大量纳米尺度的晶粒，晶粒之间存在的界面增加了对声子的散射，降低了晶格的热导率，从而提高了热电性能。
X.A,Fan等将化学合成的Bi2Te3纳米片复合到块体Bi2Te3中，发现随纳米片加入量的增加，块体Bi2Te3晶格热导率下降，从而使材料的热电性能得到提高。
纳米复合技术在块体热电材料的研究中将发挥重要作用。
2 热电器件的研究进展
热电材料的应用要通过热电器件来实现，从功能上来分，热电器件主要包括温差发电器和热电制冷器件两大类。
热电器件最大的优点是环境友好、高稳定性、以小型化，具有广阔的应用前景。
BMW 530i型概念车就应用了温差发电装置（见图1），它应用尾气余热进行发电，提高了燃油的利用率。
图1 温差发电装置在BMW 530i型概念车上的应用
低微热电材料具有较高的热电性能，很多研究者尝试制作薄膜热电器件。
Kwom等利用金属件有机物气相沉淀积（MOCVD）法制备了Bi-Sb-Te基薄膜温差发电器件（如图2），其由20对P-N对组成，温差为45K时，输出功率约为1.3uW。
Chowdhuey等采用MOCVD法制备了Bi2Te3系纳米超晶格热电器件（见图3），功率密度达到1300W/cm²，可应用于冷却集成电路中的芯片，而且可以有选择性地点对点冷却。
图2 Bi-Sb-Te基薄膜温差发电器件
图3 薄膜热电制冷器件
3 半赫斯勒热电材料性能显著提高
据美国物理学家组织网1月26日（北京时间）报道，一个由美国波士顿学院、麻省理工学院等多家大学组成的合作小组，采用纳米技术成功将一种普通块
状半导体材料p型half-Heusler（半赫斯勒）结构的热电品质参数提高了60%—90%。
研究人员表示，提高品质参数将为研制从汽车排放系统、发电厂到太阳能技术等下一代产品铺平道路。
热电品质参数是用来检测材料相对热电性能的指标。
以前的half-Heusler结构半导体材料由于其本身热电性能不佳，一直以来应用不广。
它以前的品质参数为：在700摄氏度铸块状态下，最大峰值0.5。
论文合著者、波士顿学院物理系研究员肖严（音译）说，他们制造的p型half-Heusler结构热电半导体材料品质参数值在700摄氏度下达到0.8，而且他们的材料制备方法成本更低也更省时间。
制造这种半导体合金块的工序为，首先用电弧熔融技术，然后用小球磨制铸块制造出纳米级粉末，最后采用热压技术得到致密的半导体铸块。
在纳米结构的抽样检测中，同时检测传输性质和材料微结构。
由于声子散射在材料晶界和缺陷中得到加强而使热传导性降低，所以和普通铸块相比，改良铸块的热电性能大大提高，表示材料热电功率的塞贝克系数也很高。
“如果将粉末的平均颗粒尺寸做得小于100纳米，还能使热传导性更低，热电性能更高。
”合作者之一、波士顿学院前物理学教授任志峰（音译）表示，新方法以一种经济有效的方式提高了热电材料的性能，成本更低，还能扩大规模批量生产。
研究小组将改良后的half-Heusler申请了专利。
目前，他们在努力减少压制程序中产生的颗粒，这对half-Heusler的热传导性影响很大，并计划进一步对其热电稳定性、机械坚固性、无毒害和低成本等方面展开研究。
结语
当前化石能源逐渐短缺，环境污染加剧，寻求绿色环保能源刻不容缓。
热电材料能用于温差发电和热电制冷，具有绿色环保的优点，但是转换效率低，还不足以与传统的发电和制冷方式媲美。
根据理论计算的结果，热电材料的前景是光明的，尽管目前的研究取得了不俗的成果，但是离大规模的商业应用还有一段距离，还需加强研究。
（1）展望未来，探索具有特殊结构的新材料以及发展纳米热电材料仍将是热电材料的主要研究方向。
（2）表征技术限制了低微热电材料的发展，应加大低微热电材料表征技术研究的力度。
（3）加强热电器件的研究，以促进热电材料的实用化进程。
（4）将强热电材料特性的优化研究，促进热电材料的高效利用。
参考文献。