簡述熱電材料(Ⅰ)

    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;
    l  不必使用CFC(CFC氯氟碳類物質,氟里昂。被認為會破壞臭氣層),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,太空應用和半導體晶片冷卻等產(chǎn)生相當重要的影響。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氫化合物。電熱材料需要有高導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系數(shù)以使冷熱兩端的溫差不會因熱傳導而改變。
    
     
     
    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為電導率,K為熱傳導系數(shù)。為了有一較高熱電優(yōu)值ZT,材料必須有高的熱電勢(S),高的電導率與低的熱傳導系數(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。**項一般被認為是材料的本質性質,只能依靠較好較純的樣品來改進,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整費米能級以達到較大的S2σ值。固體材料熱傳導系數(shù)(K)包括了晶格熱傳導系數(shù)(KL)及電子熱傳導系數(shù)(Ke),即K=KL+Ke。熱電材料之熱傳導大部份是通過晶格來傳導。晶格熱傳導系數(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,無法改變。而平均自由程則隨材料中雜質或晶界的多寡而改變,納米結構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構,當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,有異于一般均質晶體的長程有序狀態(tài)或是玻璃物質的無序狀態(tài),因此材料的性質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。
    Whall和Parker首先提出二維多層膜結構。因**井效應對熱電材料傳輸性質的影響,多屬于半導體的熱電材料,若經(jīng)MB(E分子束外延)或CV(D化學氣相沉積)長成多層膜(或稱**晶格)的結構后,其能帶結構會因**效應而使材料能隙加大,再加上膜與膜的界面亦會影響到樣品的熱傳導系數(shù),故將熱電材料薄膜化后可預期會大幅改變其ZT值。例如,Koga研究團隊理論預測在室溫下Si(1.5nm)/Ge(2.0nm)的**晶格結構(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/**晶格結構外,較近一維的**線結構也開始受到注意,研究者欲通過一維**線較強的**局限化效應來進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構都因有基座或多孔隙材料的存在而使熱電材料熱傳導系數(shù)的測量或實際應用產(chǎn)生相當?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,而且由理論或實驗方面均已證實,具有納米結構的熱電材料要比塊材有較好的熱電性質。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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