隨着能源的日益緊缺以及環境污染的日趨嚴重，熱電材料作爲一種環保、清潔的新能源材料近年來備受關注，下面是小編蒐集整理的一篇探究熱電材料研究進展的論文範文，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，是一種利用固體內部載流子的運動實現熱能和電能的直接相互轉化的功能材料。隨着新材料合成技術的發展以及用X射線衍射技術和計算機來研究化合物能帶結構參數等新技術的出現，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 傳統熱電材料的研究進展
50年代，蘇聯的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，從而發現了熱電性能較高的致冷和發電材料，如Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶體合金。
常規半導體的ZT值主要依賴於載流子的有效質量、遷移率和晶格熱導率，優良熱電材料一般要求大的載流子遷移率和有效質量，低的晶格熱導率[1]。根據這些理論原則，發現了上述的一些較好的常規半導體熱電材料，如適合室溫使用的Bi2Te3合金、適合中溫區(700K)使用的PbTe、高溫區(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爲ABX，A爲元素週期表左邊的過渡元素(鈦或釩族)，B爲元素週期表右邊的過渡元素(鐵、鈷或鎳族)，X爲主族元素(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係數，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(室溫下爲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，中文名爲方鈷礦材料，結構通式可表示爲AB3，其中A爲Rh、Co、Ir等金屬元素，B爲Sb、As、P等非金屬元素。其具有複雜的立方晶體結構，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，對聲子產生很大的散射，大幅度降低晶格熱導率[3]。填充原子越小，質量越大，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，且多爲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型系統中，Chen等[4]在2001年首次報道了鹼土金屬原子Ba在CoSb3中的穩定填充結果，且實現了高達44%的填充量以及高於1.0的ZT值。研究表明，通過多原子複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定性和化學穩定性，可以在高溫以及氧氣氛中使用，並且大多數氧化物都無毒、無污染、環境友好，是一種環境友好型熱電材料。1997年Terasaki等[5]發現層狀金屬氧化物NaCo2O4具有很好的熱電性能，具有很高的Seebeck係數和低的熱導率。Funahashi等[6]製備了Ca2Co2O5單晶晶須Seebeck係數在100K時爲100μVK，並隨溫度升高而增大973K時達210Μvk。金屬氧化物熱電材料的不足在於電導率偏低。
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，若能製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，製備亞微米級特別是納米級小晶粒尺寸的多晶材料將是製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週期性交替生長而成。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，產生不同於常規半導體的輸運特性，提高了態密度。Dresselhaus的近似計算表明，隨量子阱阱寬的減小，ZT值單調增大。
2結語
隨着能源的日益緊缺以及環境污染的日趨嚴重，熱電材料作爲一種環保、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爲代表的新型熱電材料在溫差發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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