簡述熱電材料（Ⅰ）

時間：2017-06-09作者：淮安市磐巖新能源科技有限公司瀏覽：78

磐巖（）的小編今天介紹的是熱電材料。
 
熱電材料的特點和熱電優(yōu)值
特點
制造熱電產(chǎn)生器或熱電致冷器的材料稱為熱電材料，是一種將電能與熱能交互轉(zhuǎn)變的材料。其優(yōu)點如下:
l  體積小，重量輕，堅固，且工作中無噪音;
l  溫度控制可在±0。1℃之內(nèi);
l  不必使用CFC(CFC氯氟碳類物質(zhì)，氟里昂。被認(rèn)為會破壞臭氣層)，不會造成任何環(huán)境污染;
l  可回收熱源并轉(zhuǎn)變成電能(節(jié)約能源)，使用壽命長，易于控制。
雖然其優(yōu)點眾多，但目前利用熱電材料制成的裝置其效率(<5%)仍遠(yuǎn)比傳統(tǒng)冰箱或發(fā)電機小。所以若能大幅度提升這些熱電材料的效率，將對廣泛用于露營的手提式致冷器，太空應(yīng)用和半導(dǎo)體晶片冷卻等產(chǎn)生相當(dāng)重要的影響。家庭與工業(yè)上的冷卻將因熱電裝置無運動的部件，是堅固的，安靜的，可靠的，且避免使用會破壞臭氣層的含氯氟碳?xì)浠衔?。電熱材料需要有高?dǎo)電性以避免電阻所引起電功率之損失，同時亦需具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)以使冷熱兩端的溫差不會因熱傳導(dǎo)而改變。

 
 
熱電優(yōu)值
材料的熱電效率可定義熱電優(yōu)值(Thermoelectric figure of merit)ZT來評估:
ZT=S2Tσ/K
其中，S為熱電勢(thermoelectric power or Seebeck coefficient)，T為**溫度，σ為電導(dǎo)率，K為熱傳導(dǎo)系數(shù)。為了有一較高熱電優(yōu)值ZT，材料必須有高的熱電勢(S)，高的電導(dǎo)率與低的熱傳導(dǎo)系數(shù)。
 
提高熱電優(yōu)勢的方法
提升熱電材料ZT值的方法一般有兩種，一為提高其功率因子(S2σ)，或降低其熱傳導(dǎo)系數(shù)(K)。影響功率因子的物理機制包括散射參數(shù)、能態(tài)密度、載子移動度及費米能級等四項。**項一般被認(rèn)為是材料的本質(zhì)性質(zhì)，只能依靠較好較純的樣品來改進(jìn)，而實驗上能控制功率因子的物理量為通過改變摻雜濃度來調(diào)整費米能級以達(dá)到較大的S2σ值。固體材料熱傳導(dǎo)系數(shù)(K)包括了晶格熱傳導(dǎo)系數(shù)(KL)及電子熱傳導(dǎo)系數(shù)(Ke)，即K=KL+Ke。熱電材料之熱傳導(dǎo)大部份是通過晶格來傳導(dǎo)。晶格熱傳導(dǎo)系數(shù)(KL)正比于樣品定容比熱(CV)、聲速及平均自由程等三個物理量。同樣，**個物理量是材料的本質(zhì)，無法改變。而平均自由程則隨材料中雜質(zhì)或晶界的多寡而改變，納米結(jié)構(gòu)的塊材之特征在于具有納米層級或具有部份納米層級的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)晶粒大小減小到納米尺寸時就會產(chǎn)生新的界面，此界面上的局部原子排列為短程有序，有異于一般均質(zhì)晶體的長程有序狀態(tài)或是玻璃物質(zhì)的無序狀態(tài)，因此材料的性質(zhì)不再僅僅由晶格上原子間的作用來決定，而必須考慮界面的貢獻(xiàn)。
Whall和Parker首先提出二維多層膜結(jié)構(gòu)。因**井效應(yīng)對熱電材料傳輸性質(zhì)的影響，多屬于半導(dǎo)體的熱電材料，若經(jīng)MB（E分子束外延）或CV（D化學(xué)氣相沉積）長成多層膜(或稱**晶格)的結(jié)構(gòu)后，其能帶結(jié)構(gòu)會因**效應(yīng)而使材料能隙加大，再加上膜與膜的界面亦會影響到樣品的熱傳導(dǎo)系數(shù)，故將熱電材料薄膜化后可預(yù)期會大幅改變其ZT值。例如，Koga研究團(tuán)隊理論預(yù)測在室溫下Si(1.5nm)/Ge(2.0nm)的**晶格結(jié)構(gòu)(于Si0.5Ge0.5基座)，其ZT值要比Si塊材大70倍。
除了二維的多層膜/**晶格結(jié)構(gòu)外，較近一維的**線結(jié)構(gòu)也開始受到注意，研究者欲通過一維**線較強的**局限化效應(yīng)來進(jìn)一步提升熱電材料之ZT值。例如，將熔融的熱電材料Bi、Sb及Bi2Te3經(jīng)高壓注入多孔隙材料如陽極氧化鋁或云母，可形成直徑約8nm，長度約10m的納米線。目前這些納米**線陣列的量測都還在起步的階段。上述的二維或一維納米結(jié)構(gòu)都因有基座或多孔隙材料的存在而使熱電材料熱傳導(dǎo)系數(shù)的測量或?qū)嶋H應(yīng)用產(chǎn)生相當(dāng)?shù)睦щy。
綜上所述，較近研究發(fā)現(xiàn)用熱電材料制成納米線，薄膜與**晶格，確能提升熱電勢S與熱電效率，使得ZT值難以提升這一困境的突破綻露了*曙光，亦再次帶動了**研究熱電材料的熱潮，而且由理論或?qū)嶒灧矫婢炎C實，具有納米結(jié)構(gòu)的熱電材料要比塊材有較好的熱電性質(zhì)。因此，近年來全世界正投入大量人力、物力于熱電材料的研發(fā)上，希望能制造出高ZT值的熱電材料。


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