納米熱電材料的研究現狀及展望

　　低維熱電材料被認為相對塊材熱電材料有著(zhù)更好的熱電性能，以下是小編搜集整理的一篇探究納米熱電材料研究現狀的論文范文，歡迎閱讀參考。

　　摘 要：文章旨在總結納米熱電材料的研究現狀，對當前納米熱電材料的創(chuàng )新與發(fā)展理論基礎做了探索和解釋?zhuān)�并討論了下一代納米熱電材料制備的幾種發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞：熱電材料;低維材料;納米復合材料

　　隨著(zhù)世界經(jīng)濟的發(fā)展，全球的能源需求量逐漸增大，世界所面臨的能源危機和環(huán)境污染兩大問(wèn)題也日益嚴重。目前市場(chǎng)上的熱電發(fā)電器件的轉化效率約為5%。Bi2Te3、PbTe、Si1-xGex等熱電材料的ZT最大值只有1左右，而只有當ZT>2的時(shí)候熱電材料才有可能得到廣泛的應用。近年來(lái)納米結構的熱電材料如超晶格、納米線(xiàn)、量子點(diǎn)和納米復合材料在熱電優(yōu)值ZT上有了很大的提高。本文將著(zhù)重綜述近幾年來(lái)納米尺寸或者說(shuō)納米結構的熱電材料所取得的重大進(jìn)展，并對熱電性能提高的理論基礎作出闡述。

　　1 熱電材料研究進(jìn)展

　　1.1 聲子玻璃電子晶體類(lèi)型的熱電材料

　　Slack提出了最佳熱電材料的類(lèi)型，即“聲子玻璃電子晶體”，這種材料同時(shí)具備類(lèi)似玻璃的熱導率和類(lèi)似晶體的電導率，一般來(lái)說(shuō)，這種材料分布著(zhù)著(zhù)大量的由原子構成的籠狀大型狀孔隙，異質(zhì)元素的原子以弱束縛狀態(tài)存在于這些大型狀孔隙中。異質(zhì)原子在孔隙中能夠產(chǎn)生一種居于化程度很大的非簡(jiǎn)諧振動(dòng)，被稱(chēng)為“振顫子”，由于這種振動(dòng)相對于晶體中的其它原子是完全獨立的，它能在保證材料電導率的前提下有效地降低熱導率。典型的聲子玻璃電子晶體熱電材料有方鈷礦，包合物材料和β-Zn4Sb3等。

　　1.2 納米結構熱電材料

　　低維熱電材料被認為相對塊材熱電材料有著(zhù)更好的熱電性能，因為它的費米能級附近的態(tài)密度通過(guò)量子限制效應得到了增強從而使塞貝克系數得到了增強，并且低維熱電材料中大量的凈截面能有效的散射聲子，使熱導率降低。

　　1.2.1 二維熱電材料：量子阱和超晶格

　　Kicks和Dresselhaus首次通過(guò)計算提出Bi2Te3量子阱層間量子限制效應使費米能級附近的態(tài)密度增加，從而提高了塞貝克系數。他們還提出如果Bi2Te3層的厚度小于聲子的平均自由程，層與層之間的晶界面就會(huì )強烈地散射聲子從而大幅度地降低熱導率。Harman等人在此基礎上將PbSe的納米點(diǎn)嵌入到PbTe的晶格中發(fā)展了PbTe PbSeTe的量子點(diǎn)超晶格薄膜，最優(yōu)ZT值達1.6，明顯高于相應塊材的ZT值(0.34)。Shakouri認為是由于二維結構導致的量子限制效應增加了冷端和熱端摻雜能級的差異性，導致了塞貝克系數和電導率的增加。目前基于二維熱電材料的薄膜、量子阱和超晶格結構已經(jīng)可用于小負荷或低發(fā)電量的電子激光點(diǎn)設備。

　　1.2.2 一維納米熱電材料：納米線(xiàn)

　　理論研究表明，與二維納米熱電材料相比，一維納米線(xiàn)結構具有更強的量子限制效應和聲子散射，熱電性能將會(huì )得到進(jìn)一步增強。納米管結構由于內表面和外表面聲子散射作用，晶格熱導率相比納米線(xiàn)將進(jìn)一步降低。Hochbaum等人采用化學(xué)蝕刻的方法制備了直徑為50 nm的表面粗糙的Si納米線(xiàn)，由于粗糙表面對聲子形成了有效地散射，它的ZT值在室溫的時(shí)候達到了0.6，是相應塊材熱電材料的30倍。Boukai等人指出納米線(xiàn)的熱導率隨著(zhù)直徑的增加而降低，納米線(xiàn)的聲子拖拽可增加納米線(xiàn)的塞貝克系數，并制備出直徑為20 nm表面粗糙的納米線(xiàn)，ZT值在200 k時(shí)達到了1。目前懸絲法可用來(lái)測試單個(gè)納米線(xiàn)、納米管、納米帶的熱電性能，但納米線(xiàn)必須以陣列的形勢嵌入到基體里才能應用到實(shí)際的熱電轉換中，保證納米線(xiàn)陣列良好的電接觸將是一個(gè)很大的難題。

　　1.2.3 納米復合熱電材料

　　納米復合熱電材料旨在將納米尺寸的多晶和晶界面引入到塊材熱電材料里增加聲子散射從而降低晶格熱導率，提高塊材材料的ZT值。由于電子的平均自由程范圍遠小于聲子的平均自由程(聲子的平均自由程范圍一般在幾納米到幾百納米，電子的平均自由程一般只有幾納米)，因此理論上來(lái)講，通過(guò)在納米材料中摻雜不同尺寸的納米顆�？捎行У亟档推骄�自由程分布較寬范圍的聲子的弛豫時(shí)間，而對平均自由程分布小的載流子影響很小。制備納米復合材料的方法通常是先是通過(guò)高能球磨、濕化學(xué)法等方法制得納米級別的粉末，制備得到的粉體通過(guò)熱壓、放電等離子燒結等制備方法將粉體壓制成內部為納米結構的塊材。納米結構使得塊材內部引入了大量的晶界、相界和晶格缺陷，它們能有效地降低材料的熱導率。相對傳統方法制備的大晶粒晶體或單晶有以下的突出優(yōu)勢：熱導率低，功率因子高(晶界處載流子過(guò)濾效應)，機械性能更好，有著(zhù)更好的各向同性。常見(jiàn)的低溫中溫高溫熱電材料Bi2Te3、PbTe、Si1-xGex均已制備出納米結構的復合材料，ZT值得到了顯著(zhù)的提升。

　　2 發(fā)展趨勢與展望

　　高效的熱電性能源于熱電材料的內部納米結構、合成方法和器件組裝水平。進(jìn)一步的研究將會(huì )繼續圍繞在半導體的窄帶隙、重摻雜、點(diǎn)缺陷和納米結構這幾個(gè)方面。特別是對于熱電實(shí)際應用來(lái)說(shuō)，合成納米復合材料的方法必須具備以下特征：高品質(zhì)，低成本，可大規模生產(chǎn);可壓制成塊材，便于機械加工和組裝;納米結構具備熱穩定性;熱電ZT值高于對應塊材。如何獲得更合理的制備工藝和最優(yōu)化的納米結構需要做進(jìn)一步的定量分析，以便熱電發(fā)電和制冷在實(shí)際中得到更廣泛的應用。

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