热电材料研究进展 PPT课件
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热电材料的研究及其应用PPT23页
热电材料的研究及其应用
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
Thank you
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
Thank you
热电材料研究进展ppt课件
Bi2Te3/Sb2Te3适用于 低温，在室温附近热
电优值达到1（相应的
热电转换效率约为7~8
％），被公认为是最
好的热电材料，目前
大多数热电制冷元件
都是使用这类材料。
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热电材料研究和应用的瓶颈
热电优值
α：seebeck系数 σ：电导率（与载流子浓度和迁移率有关） κ：热导率（包括声子热导和电子热导）
韩国等汽车公司 （ GM、 BMW、 HONDA、大众、现 代等）正在开展相关
研发工作，可节省油 耗5%；国内相关研究 刚刚起步（上汽）
聚光光伏太阳能辅助系统
利用高聚光太阳能在基板上产生的热能发电， 提高转换率；国家“973”计划、日本能源开发 机构NEDO、美国DOE等均有所部署
利用燃烧热、地热、体
SiGe 体系
PbTe 体系
Bi2Te3 /Sb2Te 3体系
高温 中温
低温
SiGe体系多用于900 K以上，这 类具有金刚石结构的材料的晶 格热导率很高，因而热电优值 很低，目前只是在卫星和空间 站的温差发电系统比较常用。
PbTe体系适用于 500~900 K的中 温，热电优值最 大可达0.8，可用 于温差发电。
—— 热电材料与工业余热发电技术
—— 高效热电材料与太阳能热电转换技术
欧盟：从第六框架计划（FP6）开始，将热电材料列入“可再生能源技术”
予以重点支持
ZT 值：
≥2.0
转换效率h ： ≥ 20％
热电材料科学技术 重大突破
相关新 能 源 技 术
15
主要的材料体系
金属 硅化 物 复杂 氧化 物
Skutte rudite
表温差等热源，为野外
作业、偏远山区、小型
热电材料 ppt课件
ppt课件
9
（3）利用seebeck效应，由热生电
温差发电材料，主要有ZnSb、PbTe、GeTe、SiGe等合金材料。
半导体温差发电机的特点是：无噪声、无磨损、无振动、可
靠性高、寿命长；维修方便；易于控制和调节，可全天候工
作；可替代电池。
半导体温差发电机的热源：煤油、石油气以及利用Pu238、
sr90、Po210等放射性同位素p。pt课件
当电流在已经存在温差的导体中流动时，热量会被吸收或者 被放出。而电流方向和温差之间的相对关系决定了材料 在这个过程中是吸收热量还是放出热量。这一现象，我 们称为汤姆逊效应。
铜、锌等
正汤姆逊热效应 Positive Thomson effect
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碱金属，Co, Ni, Fe 等 负汤姆逊热效应 Negative Thomson effect
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4、帕尔贴(Peltier)效应
（1）定义：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。又称第二 热电效应。
当在两个节点T1和T2输入一个电压Vin，回路中会产生一个
相应的电流I。接头A处的热量会被吸收，从而产生一个微弱
的制冷现象，在B处，随着热量的流入温度升高。
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6、热电性能评价
ppt课件
优异热电性能： Seebeck系数大 电导率高 热导率低
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7、热电材料的优点
① 没有运动部件：热电制冷器在工作的时候只用到 电能，不会有任何运动的部件，这样一来，它们 基本上不需要维护保养。
② 体积和重量很小：一个热电制冷系统的体积和重 量要远远小于相应的机械式制冷体系。除此之外， 对于各种严格的应用要求，有各种标准的或特殊 的尺寸和布局方式可供选择。
热电材料课件
等等。。。
2020/3/28
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三、我现阶段所涉及的方面（皮毛）
1、实验部分 BaSi2的制备
计算 称量（电子称） 熔炼（真空电弧炉） XRD
测热电性能（PPMS）
压片
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2、计算部分（软件模拟）
Linux系统 WIEN2k软件
得到态密度（DOS） 能带(Bandstructure) 赛贝克系数（S） 电导率( )
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⑧ 可以在任意角度下工作：热电制冷器可以再任意 角度和零重力状态下工作。所以，在航天器械中 应用非常广泛。
⑨ 简单方便的能源供给：热电制冷器能够直接使用 直流电源，并且加载电源的电压和电流能够在很 大范围内变化。在许多条件下，还可以使用脉冲 宽度调制。
⑩ 点制冷：应用热电制冷器，可以做到对单独的单 元或者很小的区域进行制冷，因此可以避免冷却 整个封装器件或外壳时可能造成的能源浪费。
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（3）利用seebeck效应，由热生电
温差发电材料，主要有ZnSb、PbTe、GeTe、SiGe等合金材料。
半导体温差发电机的特点是：无噪声、无磨损、无振动、可
靠性高、寿命长；维修方便；易于控制和调节，可全天候工
作；可替代电池。
半导体温差发电机的热源：煤油、石油气以及利用Pu238、
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3、软件模拟与实验的结合
origin软件 Kaleidagraph软件
sr209200/3、/28 Po210等放射性同位素。
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4、帕尔贴(Peltier)效应
（1）定义：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。又称第二 热电效应。
燃料电池材料研究进展PPT课件
第5页/共84页
一、染料电池的原理及特点
FC的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所： 阳极催化燃料，如氢的氧化过程； 阴极催化氧化剂，如氧等的还原过程； 导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移， 电子通过外电路作功并构成电的回路。
第6页/共84页
但是FC 的工作方式又与常规的化学电源不同，而更 类似于汽油、柴油发电机。 燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外 的储罐中。 当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧 化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以 维护电池工作温度的恒定。
解决这些问题的方法有两种：一是减少全氟树脂的用量， 采用将Nafion树脂与其它非氟化材料结合制备复合膜； 二是开发新型抗氧化性强、成本低的膜材料。
如加拿大Ballard公司用取代的三氟苯乙烯与三氟苯乙 烯共聚制得共聚物，再经磺化得到BAM3G膜，该膜具 有较高的工作效率，成本也较Nafion膜和Dow膜低。
确保了石棉膜碱性氢氧燃料电池成功地用于航天飞
机。在熔融碳酸盐中稳定的偏铝酸锂隔膜的研制成
功，加速了熔融碳酸盐燃料电池兆瓦级实验电站的
建设。
第14页/共84页
氧化钇稳定的氧化锆固体电解质隔膜的发展，使固 体氧化物燃料电池成为未来燃料电池分散电站的研 究热点。
而全氟磺酸型质子交换膜的出现，又促使质子交换 膜燃料电池的研究得到复兴，进而迅猛发展。至今 质子交换膜燃料电池已被看作电动车和不依赖空气 推进的潜艇的最佳候选电源，成为世界各国竞争的 焦点。
由于离子簇的周壁带有负电荷的固定离子，而各离 子簇之间的通道短而窄，因而对于带负电且水合半 径较大的0H 离子的迁移阻力远远大于H+，这也正 是离子交换膜具有选择透过性的原因。
一、染料电池的原理及特点
FC的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所： 阳极催化燃料，如氢的氧化过程； 阴极催化氧化剂，如氧等的还原过程； 导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移， 电子通过外电路作功并构成电的回路。
第6页/共84页
但是FC 的工作方式又与常规的化学电源不同，而更 类似于汽油、柴油发电机。 燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外 的储罐中。 当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧 化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以 维护电池工作温度的恒定。
解决这些问题的方法有两种：一是减少全氟树脂的用量， 采用将Nafion树脂与其它非氟化材料结合制备复合膜； 二是开发新型抗氧化性强、成本低的膜材料。
如加拿大Ballard公司用取代的三氟苯乙烯与三氟苯乙 烯共聚制得共聚物，再经磺化得到BAM3G膜，该膜具 有较高的工作效率，成本也较Nafion膜和Dow膜低。
确保了石棉膜碱性氢氧燃料电池成功地用于航天飞
机。在熔融碳酸盐中稳定的偏铝酸锂隔膜的研制成
功，加速了熔融碳酸盐燃料电池兆瓦级实验电站的
建设。
第14页/共84页
氧化钇稳定的氧化锆固体电解质隔膜的发展，使固 体氧化物燃料电池成为未来燃料电池分散电站的研 究热点。
而全氟磺酸型质子交换膜的出现，又促使质子交换 膜燃料电池的研究得到复兴，进而迅猛发展。至今 质子交换膜燃料电池已被看作电动车和不依赖空气 推进的潜艇的最佳候选电源，成为世界各国竞争的 焦点。
由于离子簇的周壁带有负电荷的固定离子，而各离 子簇之间的通道短而窄，因而对于带负电且水合半 径较大的0H 离子的迁移阻力远远大于H+，这也正 是离子交换膜具有选择透过性的原因。
热电材料的研究及其应用23页PPT
热电材料的研究及其应用
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍
无机有机复合热电材料的合成与性能研究 开题PPT-PPT课件
……
背景与意义
材料热电性能的好坏由优值系数ZT=α2σT／k表示，其中 α是seebeck系数，σ是电导率，T是材料的平均温度，k是 热导率。 当前，传统热电材料的ZT值一直徘徊在1左右，这还不 能与传统的制冷以及电源相竞争。计算表明只有当ZT值 达到3时，热电材料才能与传统的制冷方式相竞争。因此 ，进一步提高热电材料的效率，也就是提高优值系数，是 当前热电材料研究的主要目的。
研究方法与创新点
本课题研究的方法
通过纳米技术制备无机纳米热电材料，利用纳米材料 所具有的特殊性能，有望得到高性能的纳米热电材料，理 论计算表明，纳米线比超晶格具有更好的热电性能，量子 线直径小于10埃，材料的ZT值将超过10。将所制备的 纳米无机材料与有机热电材料复合后，可将无机和有机材 料的优点相结合，可能得到性能优越的热电材料。
背景与意义
重掺杂，窄带 隙及原子序数 较大的半导体 材料
提高热电性 能的一般途 径
超细晶或纳 米材料
化合物电负性 差异较小的材 料 复合有空结 构材料
无孔结构材 料
背景与意义
有机无机复合的意义
复合热电材料的合成
1. 无机纳米颗粒的合成
初步采用溶剂热法，以合成纳米Bi2Te3颗粒为例：
BiCl3 Te
适量NaBH4
溶于溶剂
NaOH
置于反应釜
140 ℃～ 180 ℃保温 6～24h
洗涤，干燥， 冷却
复合热电材料的合成
通过改变反应的溶剂，反应温度，反应时间， 添加有机添加剂，可以得到不同形状的无机纳米 颗粒。从而得到不同热电性能的纳米材料。 除了溶剂热法，还可以尝试烧瓶法合成不同 形状的无机纳米热电材料颗粒。
无机有机复合热电材料的 合成与性能研究
第4章 热电材料 ppt课件
1、珀尔帖热效应
当直流电通过由两种不同导电材料所构成的回路 时，接点上将产生吸放热现象，改变电流方向， 吸放热也随之反向，该效应称之为珀尔帖效应。
1834年Heinrich Lens发现将一滴水置于铋和 锑的接点上，通以正向电流，水滴结成冰，通以 反向电流，冰融化课件
热还是吸热，依温度梯度和电流的方向而定，热
效应∆QT的大小与电流I、温度梯度dT/dx和通 电流的时间∆t成正比，即
QT
I
dT dx
t
式中μ称为汤姆逊系数，其代表单位电荷通过单位
温度梯度时所吸收（或释放）的热量。
8
ppt课件
这种可逆的温差电热效应是汤姆逊从理论上预言 的。汤姆逊将两种温差电热效应的系数与温差热 电效应的赛贝克系数联系起来得到汤姆逊关系式
灵敏阈值是可测出电阻变化的最小（热值）功。
数量级在10-9W左右。12
ppt课件
三、热电导材料的种类
1、正温度系数热电导材料 其特点是温度增高，电导率增加。
2、负温度系数热电导材料 其特点是温度增高，电导率降低。
四、热电导材料的应用
热电导材料可以作热敏电阻等热敏元件，红外 探测器元件。热电导半导体材料可以作半导体 热敏器件、半导体热敏传感器。
∆V与两接点间的温差∆T有关。当∆T很小时 ，∆V与∆T成正比关系。定义∆V对∆T的微分 热电动势为
SAB为材料A和B的赛贝克系数 。
SAB=SA-SB SA、SB为材料A、B的赛贝克
系数
EAB=SAB ∆T 5
图4－1 赛贝克效应
ppt课件
（二）温差电热效应
在热电回路中，与两接点间的温度差所引起的赛 贝克电动势相反，通电时，在回路中会引起两种 热效应，珀尔帖和汤姆逊热效应。前者出现在电 极的两个接头处；后者发生在两个电极上。
当直流电通过由两种不同导电材料所构成的回路 时，接点上将产生吸放热现象，改变电流方向， 吸放热也随之反向，该效应称之为珀尔帖效应。
1834年Heinrich Lens发现将一滴水置于铋和 锑的接点上，通以正向电流，水滴结成冰，通以 反向电流，冰融化课件
热还是吸热，依温度梯度和电流的方向而定，热
效应∆QT的大小与电流I、温度梯度dT/dx和通 电流的时间∆t成正比，即
QT
I
dT dx
t
式中μ称为汤姆逊系数，其代表单位电荷通过单位
温度梯度时所吸收（或释放）的热量。
8
ppt课件
这种可逆的温差电热效应是汤姆逊从理论上预言 的。汤姆逊将两种温差电热效应的系数与温差热 电效应的赛贝克系数联系起来得到汤姆逊关系式
灵敏阈值是可测出电阻变化的最小（热值）功。
数量级在10-9W左右。12
ppt课件
三、热电导材料的种类
1、正温度系数热电导材料 其特点是温度增高，电导率增加。
2、负温度系数热电导材料 其特点是温度增高，电导率降低。
四、热电导材料的应用
热电导材料可以作热敏电阻等热敏元件，红外 探测器元件。热电导半导体材料可以作半导体 热敏器件、半导体热敏传感器。
∆V与两接点间的温差∆T有关。当∆T很小时 ，∆V与∆T成正比关系。定义∆V对∆T的微分 热电动势为
SAB为材料A和B的赛贝克系数 。
SAB=SA-SB SA、SB为材料A、B的赛贝克
系数
EAB=SAB ∆T 5
图4－1 赛贝克效应
ppt课件
（二）温差电热效应
在热电回路中，与两接点间的温度差所引起的赛 贝克电动势相反，通电时，在回路中会引起两种 热效应，珀尔帖和汤姆逊热效应。前者出现在电 极的两个接头处；后者发生在两个电极上。
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Dr. Jeffrey Snyder a Faculty at
Caltech.
国内研究
陈立东教授 上海硅酸盐研究所
唐新峰教授 武汉理工大学
赵新兵教授 浙江大学
Ⅳ.我们的研究
Bi-Te基热电材料
Bi2Te3的优势
重金属，分子量大，seebeck系数较大 层状结构，各向异性，电导与热导比值相对较大 层状结构，层间有利于实施掺杂改性
2.0
主要是金属
1.0
0.5 1834
Ioffe提出半导体 热电理论
Bi2Te3、PbTe SiGe
AgPb18SbTe20 NaCoO2、
Zn4Sb 方钴矿
量子点、
量子线、 超晶格等
低维热电材料
1821 1855 1949
1990 1997
2004
（年）
• Chen G, et al. International Materials Reviews, 2003, 48(1):1-22.
应用（2）：热电发电
美国、德国、日本、
韩国等汽车公司 （ GM、 BMW、 HONDA、大众、现 代等）正在开展相关 研发工作，可节省油 耗5%；国内相关研究 刚刚起步（上汽）
➢ 聚光光伏太阳能辅助系统
利用高聚光太阳能在基板上产生的热能发电， 提高转换率；国家“973”计划、日本能源开发 机构NEDO、美国DOE等均有所部署
PbTe体系适用于 500~900 K的中 温，热电优值最 大可达0.8，可用 于温差发电。
Bi2Te3/Sb2Te3适用于 低温，在室温附近热 电优值达到1（相应的 热电转换效率约为7~8 ％），被公认为是最 好的热电材料，目前 大多数热电制冷元件 都是使用这类材料。
热电材料研究和应用的瓶颈
热电优值
低维材料：量子限域效应（超晶格等） 晶界散射：引入纳米结构（球磨、水热等）
国外研究 Professors of MIT
Dr Gang Chen
Dr Mildred Dresselhaus
国外研究
Mercouri Kanatzidis From Northwest University
Dr Z. F. Ren professor of physics at Boston College
相关新 能 源 技 术
主要的材料体系
金属 硅化 复杂 物 氧化 物 Skutte rudite
SiGe 体系
PbTe 体系 Bi2Te3 /Sb2Te 3体系
高温 中温
低温
SiGe体系多用于900 K以上，这 类具有金刚石结构的材料的晶 格热导率很高，因而热电优值 很低，目前只是在卫星和空间 站的温差发电系统比较常用。
热电材料研究进展
研 究 生：孙 言 指导老师：蒋 俊
2011-10-27
报告内容
现实意义 基本概念 研究现状 预期目标
Ⅰ.热电材料研究的现实意义
1.能源短缺、环境污染、温室效应
2. 应用 （1）：热电制冷
针对半导体热电制冷器件，在我市慈溪、余姚等地区有 很大的产业集群，如饮水机、小冰箱、酒柜等
利用燃烧热、地热、体 表温差等热源，为野外 作业、偏远山区、小型 电器、植入式医疗器械 等提供电能
Ⅱ.热电材料及热电效应
1. 什么是热电材料
热电材料（也称温差电材料， thermoelectric materials）是一种利 用固体内部载流子运动，实现热 能和电能直接相互转换的功能材 料。
☆ 什么是热电效应
研究重点—如何优化ZT值？
影响因素
化学组成
显微结构
优化途径
通过成分设计与调控，优化载流 子浓度，并使ZT峰值与工作温度 相匹配
通过调节颗粒的尺度、形貌、定 向分布，提高载流子迁移率并增 强声子散射，从而提高σ/κ
主要研究思路
< 50nm
低维结构
晶内第二相 晶界第二相
纳米复合结构
三维笼状 2.0
二维层状
热电效应是电流引起的可逆热 效应和温差引起的电效应的总称， 包括Seebeck效应、Peltier效应和 Thomson效应。
热电器件工作原理
热电发电
Heat Source PN
热电制冷
Active Cooling PN
Heat Sink
Heat Rejeceneration Mode
α：seebeck系数 σ：电导率（与载流子浓度和迁移率有关） κ：热导率（包括声子热导和电子热导）
随着载流子浓度增加， σ和κ均增加，α却减小
合适的载流子浓度， 尽量降低热导率
改善热电性能的途径
σ = neμ μ= eτ/ m*
k= ke+kL
增强声子散射， 降低晶格热导率
掺杂：改变费米能级的位置，优化电输运性能； 点缺陷（原子质量波动），增强声子散射
特殊原子基团
特殊结构
湿化学法
Seebeck效应
I
(b) Cooling Mode
Peltier效应
Cronin B V. Semiconductors are cool. Nature. 2001, 413: 577~578
绿色能源： 1. 体积小 2. 重量轻 3. 结构简单 4. 坚固耐用 5. 无需运动部件 6. 无磨损 7. 无噪音 8. 无污染
目标 ZT值： ≥2.0
效率h ：≥20％
日本： 通产省和科学技术振兴机构（JST）
—— 热电材料与工业余热发电技术
—— 高效热电材料与太阳能热电转换技术
欧盟：从第六框架计划（FP6）开始，将热电材料列入“可再生能源技术”
予以重点支持
ZT 值：
≥2.0
转换效率h ： ≥ 20％
热电材料科学技术 重大突破
Heat Source ＋
N-type element P-type element
Heat Sink
热电器件模型
Cerami
ーc plate
热电器件实物图
热电性能评价
优异热电性能： ➢ Seebeck系数大 ➢ 电导率高 ➢ 热导率低
Ⅲ.热电材料的研究现状
热电材料的研究进展
ZT
Seebeck现象
• Venkatasubramanian, et,al. Nature (London) 413, 597 (2001).
学术上受到前所未有的关注
高效热电材料与器件的研发既是相关产业发展需求， 也是热电材料科学技术自身发展的重大需求
政府的关注和支持
美国：未来5年研究开发计划 能源部（DOE ） 宇航局（NASA ） 国防部（DOD）