新型热电材料的研究进展
随着能源的日益紧缺以及环境污染的日趋严重，热电材料作为一种环保、清洁的新能源材料近年来备受关注，下面是小编搜集整理的一篇探究热电材料研究进展的论文范文，供大家阅读参考。
【摘要】本文介绍了热电材料的研究进展，重点介绍了Half-Heusler金属间化合物、方钴矿、纳米技术和超晶格材料等新型热电材料的研究状况。
【关键词】热电材料;金属间化合物;超晶格材料
引言
热电材料又称温差电材料，是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料。随着新材料合成技术的发展以及用X射线衍射技术和计算机来研究化合物能带结构参数等新技术的出现，使得热电材料的研究日新月异。
1热电材料的研究进展
1.1 传统热电材料的研究进展
50年代，苏联的Ioffe院士提出了半导体热电理论，Ioffe及其同事从理论和实践上通过利用两种以上的半导体形成固溶体可使ZT值提高，从而发现了热电性能较高的致冷和发电材料，如Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶体合金。
常规半导体的ZT值主要依赖于载流子的有效质量、迁移率和晶格热导率，优良热电材料一般要求大的载流子迁移率和有效质量，低的晶格热导率[1]。根据这些理论原则，发现了上述的一些较好的常规半导体热电材料，如适合室温使用的Bi2Te3合金、适合中温区(700K)使用的PbTe、高温区(1000K)使用的SiGe合金，更高温度(>100K)下使用的SiC等。
1.2 新型热电材料的研究进展
1.2.1 Half-Heusler金属间化合物
Half-Heusle金属间化合物的通式为ABX，A为元素周期表左边的过渡元素(钛或钒族)，B为元素周期表右边的过渡元素(铁、钴或镍族)，X为主族元素(稼、锡、锑等)。Half-Heusler金属间化合物是立方MgAgAs型结构。这种材料的特点是在室温下有较高的电导率和Seebeck系数，可以达到300μV/K，在700～800K时，材料的ZT值可达到0.5～0.6，但缺点是热导率也很高(室温下为5～9W/(M・K))[2]。
1.2.2填充Skutterudite化合物
Skutterudite化合物是指具有CoAs3型结构的材料，中文名为方钴矿材料，结构通式可表示为AB3，其中A为Rh、Co、Ir等金属元素，B为Sb、As、P等非金属元素。其具有复杂的立方晶体结构，如图1所示，每个单胞中存在两个大的空隙，大质量的金属原子可以填充到空隙中，形成填充方钴矿结构。填充原子在空隙中振动，对声子产生很大的散射，大幅度降低晶格热导率[3]。填充原子越小，质量越大，晶格热导率的降低就越明显。
早期的填充方钴矿材料研究主要集中在稀土原子的填充，且多为P型材料，ZT值可达到约1.0，但是稀土元素在CoSb3结构中的.填充率较低。在N型系统中，Chen等[4]在2001年首次报道了碱土金属原子Ba在CoSb3中的稳定填充结果，且实现了高达44%的填充量以及高于1.0的ZT值。研究表明，通过多原子复合填充可以显著降低晶格热导率。
1.2.3金属氧化物
金属氧化物具有高的热稳定性和化学稳定性，可以在高温以及氧气氛中使用，并且大多数氧化物都无毒、无污染、环境友好，是一种环境友好型热电材料。1997年Terasaki等[5]发现层状金属氧化物NaCo2O4具有很好的热电性能，具有很高的Seebeck系数和低的热导率。Funahashi等[6]制备了Ca2Co2O5单晶晶须Seebeck系数在100K时为100μVK，并随温度升高而增大973K时达210Μvk。金属氧化物热电材料的不足在于电导率偏低。
1.2.4纳米技术和超晶格材料
HickslDetal[7]对Bi2Te3二维叠层状结构材料热导率的理论计算表明，随材料叠层厚度的降低，热导率大大降低，若能制成纳米厚度且各层晶体取向不同的纳米级超晶格，材料的ZT值将比块体材料提高10倍，室温下达到6.9。AnnHetal[8]有关不同晶粒尺寸的CoSb3材料的传输性能研究表明，微米级晶粒尺寸的减小可以检测出热电性能的提高。因此，制备亚微米级特别是纳米级小晶粒尺寸的多晶材料将是制备高性能热电材料的重要途径之一。
超晶格材料是由两种或两种以上不同材料薄层周期性交替生长而成。当两种材料的带隙不同时，能把载流子限制在势阱中，形成超晶格量子阱，产生不同于常规半导体的输运特性，提高了态密度。Dresselhaus的近似计算表明，随量子阱阱宽的减小，ZT值单调增大。
2结语
随着能源的日益紧缺以及环境污染的日趋严重，热电材料作为一种环保、清洁的新能源材料近年来备受关注。以Half-Heusler金属间化合物和方钴矿为代表的新型热电材料在温差发电领域具有广阔的应用前景，材料微观结构的纳米化是提高材料热电性能的重要用途之一。
参考文献
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