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linhua0402313版主 (文坛精英)
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[交流]
【前沿】介绍一种比较研究热点的晶体--热电材料方面已有15人参与
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随着人类社会的发展与进步，对能源的需求量越来越大，使得能源供需矛盾日益突出。能源是现代生存和发展的基础，其中电能是当今使用最广泛的便利能源。如今，用于产生电能的主要还只是化石能源（石油、煤、天然气），而这些能源的使用在给我们带来便利的同时，也带来了一些全球关注的问题，如：环境污染以及化石能源来源的日益减少。因此，寻找清洁、高效、经济的新型环保能源替代材料以及提高化石能源的利用率迫在眉睫！其中采用热电效应将热能（包括太阳能、地热、工业余热等）和电能进行直接相互转换的热电转换技术，以及利用半导体器件的光伏效应把太阳辐射能转换成电能的光电转换技术的研究越来越受到材料科学家们的重视。热电转换技术是利用半导体材料的Seebeck效应和Peltier效应将热能和电能进行互相转化的一种新的能源转换技术1, 2。相比较于其它形式的热电转换技术，热电转换技术具有如下优点：（1）不需要致冷剂，无污染、清洁卫生、环境友好；（2）无机械传动部件，结构简单、无噪声、无磨损、可靠性高、使用寿命长；（3）适用环境广，使用管理方便。 如果大家感兴趣这方面的内容，请支持，后面继续为大家介绍。 |
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linhua0402313
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5楼2010-06-16 19:05:50
linhua0402313
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| 材料的赛贝克系数主要和材料的晶体结构、化学组成以及能带结构有关；材料的电导率主要和散射因子、迟豫时间、载流子有效质量以及费米能级等基础物理量相关。材料的热导率是由两部分组成，κ = κL + κE，其中κL为晶格热导率，主要是由晶格振动产生的热量传递；κE为电子热导率，κE = LσT, 即电子运动对热量的传导。对于热电半导体材料来说，由于要求材料具有较高的电导率σ，因此材料电子热导率的调节受到很大程度的限制。所幸的是，在半导体热电材料中电子热导率占总热导率的比例相对比较小。因此，通过降低晶格热导率来调节材料的热导率几乎成了提高半导体材料热电优值的最主要途径。半导体材料的晶格热导率主要与材料内部的声子散射有关，理论上分析得知非晶态材料具有较低的κ值。Slack提出一种新的概念材料称为声子玻璃电子晶体(PGEC), 也就是一种导电如晶体导热如玻璃的材料，这为以后热电材料的开发指明了方向。Slack认为晶体结构中存在一种结合力弱的活泼原子, 它对载热声子有强的散射作用致使热导率急剧下降, 但对导电不会有太大的影响。一般，可以从以下几个方面来考虑降低材料的晶格热导率：（1）一般情况下，如果材料是由多种原子组成的大晶胞复杂结构晶体时，其结构对声子的散射能力很强，使得材料的晶格热导率很低。因此寻找具有这类结构且具有较高的赛贝克系数的材料是热电材料研究的一个重要方面。事实证明，大部分热电性能好的材料都满足这类结构要求。（2）通过掺杂或不同材料之间形成固溶体的办法使材料的晶体结构复杂化，以此来提高材料的声子散射能力，达到降低晶格热导率的目的。（3）一些具有大孔洞结构的热电材料，如方钴矿结构和笼合物结构的化合物，在其孔洞中引入某些离子型金属原子，由于这些金属原子在孔洞中和周围原子之间存在较弱的作用力，因而作为一个新的晶格散射中心，对声子产生强烈的散射，从而可以大大降低材料的晶格热导率，得到较高的热电优值。（4）提高多晶半导体材料中晶界对声子的散射作用，可以实现晶格热导率的降低。可以预料，制备纳米级晶粒尺寸的多晶材料将是制备高性能热电半导体材料的重要途径之一。 |
6楼2010-06-16 19:08:21
linhua0402313
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| 从近年来热电材料研究方面取得的进展来看, 美国科学家Tritt乐观地认为在未来几年内热电材料的研究将会有惊人的突破。Tritt等人综合分析大量的研究结果, 提出理想的热电材料应具有的性能: (1) 接近费密能级的能带应具有大的波动性; (2) 原子序数大, 且具有大量的自旋轨道偶合; (3) 材料成分由两种以上的元素组成; (4) 材料中元素间的电负性相差不大; (5) 材料具有大的晶胞体积; (6) 材料具有的能隙Eg = 10kBT, T是实际热电工作温度。即一般室温下, 能隙要小于0.3 eV。假如满足条件(1)和(4), 材料将具有高的载流子迁移率; 满足条件(2)，(3)和(5), 材料将有低的热导率;满足条件(1)和(6), 可以获得高的赛贝克系数或温差电势。另外, 条件(6)也表明, 在温度较低的情况下(T < 300K) 工作的热电材料应具有较小的能隙。 对于高温条件下工作的热电材料如高温发电等, 应使用大能隙的热电材料。 |
10楼2010-06-17 14:26:35
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