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新型熱電材料的研究進展
隨著能源的日益緊缺以及環(huán)境污染的日趨嚴重，熱電材料作為一種環(huán)保、清潔的新能源材料近年來備受關注，下面是小編搜集整理的一篇探究熱電材料研究進展的論文范文，供大家閱讀參考。
【摘要】本文介紹了熱電材料的研究進展，重點介紹了Half-Heusler金屬間化合物、方鈷礦、納米技術和超晶格材料等新型熱電材料的研究狀況。
【關鍵詞】熱電材料;金屬間化合物;超晶格材料
引言
熱電材料又稱溫差電材料，是一種利用固體內(nèi)部載流子的運動實現(xiàn)熱能和電能的直接相互轉(zhuǎn)化的功能材料。隨著新材料合成技術的發(fā)展以及用X射線衍射技術和計算機來研究化合物能帶結構參數(shù)等新技術的出現(xiàn)，使得熱電材料的研究日新月異。
1熱電材料的研究進展
1.1 傳統(tǒng)熱電材料的研究進展
50年代，蘇聯(lián)的Ioffe院士提出了半導體熱電理論，Ioffe及其同事從理論和實踐上通過利用兩種以上的半導體形成固溶體可使ZT值提高，從而發(fā)現(xiàn)了熱電性能較高的致冷和發(fā)電材料，如Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶體合金。
常規(guī)半導體的ZT值主要依賴于載流子的有效質(zhì)量、遷移率和晶格熱導率，優(yōu)良熱電材料一般要求大的載流子遷移率和有效質(zhì)量，低的晶格熱導率[1]。根據(jù)這些理論原則，發(fā)現(xiàn)了上述的一些較好的常規(guī)半導體熱電材料，如適合室溫使用的Bi2Te3合金、適合中溫區(qū)(700K)使用的PbTe、高溫區(qū)(1000K)使用的SiGe合金，更高溫度(>100K)下使用的SiC等。
1.2 新型熱電材料的研究進展
1.2.1 Half-Heusler金屬間化合物
Half-Heusle金屬間化合物的通式為ABX，A為元素周期表左邊的過渡元素(鈦或釩族)，B為元素周期表右邊的過渡元素(鐵、鈷或鎳族)，X為主族元素(稼、錫、銻等)。Half-Heusler金屬間化合物是立方MgAgAs型結構。這種材料的特點是在室溫下有較高的電導率和Seebeck系數(shù)，可以達到300μV/K，在700～800K時，材料的ZT值可達到0.5～0.6，但缺點是熱導率也很高(室溫下為5～9W/(M・K))[2]。
1.2.2填充Skutterudite化合物
Skutterudite化合物是指具有CoAs3型結構的材料，中文名為方鈷礦材料，結構通式可表示為AB3，其中A為Rh、Co、Ir等金屬元素，B為Sb、As、P等非金屬元素。其具有復雜的立方晶體結構，如圖1所示，每個單胞中存在兩個大的空隙，大質(zhì)量的金屬原子可以填充到空隙中，形成填充方鈷礦結構。填充原子在空隙中振動，對聲子產(chǎn)生很大的散射，大幅度降低晶格熱導率[3]。填充原子越小，質(zhì)量越大，晶格熱導率的降低就越明顯。
早期的填充方鈷礦材料研究主要集中在稀土原子的填充，且多為P型材料，ZT值可達到約1.0，但是稀土元素在CoSb3結構中的填充率較低。在N型系統(tǒng)中，Chen等[4]在2001年首次報道了堿土金屬原子Ba在CoSb3中的穩(wěn)定填充結果，且實現(xiàn)了高達44%的填充量以及高于1.0的ZT值。研究表明，通過多原子復合填充可以顯著降低晶格熱導率。
1.2.3金屬氧化物
金屬氧化物具有高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，可以在高溫以及氧氣氛中使用，并且大多數(shù)氧化物都無毒、無污染、環(huán)境友好，是一種環(huán)境友好型熱電材料。1997年Terasaki等[5]發(fā)現(xiàn)層狀金屬氧化物NaCo2O4具有很好的熱電性能，具有很高的Seebeck系數(shù)和低的熱導率。Funahashi等[6]制備了Ca2Co2O5單晶晶須Seebeck系數(shù)在100K時為100μVK，并隨溫度升高而增大973K時達210Μvk。金屬氧化物熱電材料的不足在于電導率偏低。
1.2.4納米技術和超晶格材料
HickslDetal[7]對Bi2Te3二維疊層狀結構材料熱導率的理論計算表明，隨材料疊層厚度的降低，熱導率大大降低，若能制成納米厚度且各層晶體取向不同的納米級超晶格，材料的ZT值將比塊體材料提高10倍，室溫下達到6.9。AnnHetal[8]有關不同晶粒尺寸的CoSb3材料的傳輸性能研究表明，微米級晶粒尺寸的減小可以檢測出熱電性能的提高。因此，制備亞微米級特別是納米級小晶粒尺寸的多晶材料將是制備高性能熱電材料的重要途徑之一。
超晶格材料是由兩種或兩種以上不同材料薄層周期性交替生長而成。當兩種材料的帶隙不同時，能把載流子限制在勢阱中，形成超晶格量子阱，產(chǎn)生不同于常規(guī)半導體的輸運特性，提高了態(tài)密度。Dresselhaus的近似計算表明，隨量子阱阱寬的減小，ZT值單調(diào)增大。
2結語
隨著能源的日益緊缺以及環(huán)境污染的日趨嚴重，熱電材料作為一種環(huán)保、清潔的新能源材料近年來備受關注。以Half-Heusler金屬間化合物和方鈷礦為代表的新型熱電材料在溫差發(fā)電領域具有廣闊的應用前景，材料微觀結構的納米化是提高材料熱電性能的重要用途之一。
參考文獻
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