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纳米复合热电材料研究

2013-10-15 09:07:49 来源:中国投资研究网 【字体: 【收藏本页】【打印】【关闭】

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核心提示:热电材料作为一种能将热能和电能相互转换的功能材料,是解决目前环境污染、能源紧缺以及深空探测等问题的有效途径。


关键词: 热电材料

热电材料作为一种能将热能和电能相互转换的功能材料,是解决目前环境污染、能源紧缺以及深空探测等问题的有效途径。它是通过固体中载流子的输运实现热能和电能直接转换的功能材料,其性能用热电品质因子(ZT)来衡量:ZT=TS2σ/κ,其中S为Seebeck系数(或热电势),σ为电导率,κ为总的热导率(包括电子的热导率κe和声子的热导率κph),T为绝对温度。因此,为了获得较高的ZT,材料必须具备高的S,高的σ和低的κ。但是目前商业化的热电材料的ZT值普遍较低(<1),与现代空调制冷的水平(ZT≈3)还相差较大。由于体材中电子的κe和σ符合费德曼-弗郎茨定律,即:κe/σ=LT(L为洛伦兹数),式中σ和κe成正比关系,这使得提高ZT值非常困难。

材料的纳米化是提高热电材料性能的一条有效途径。目前提高热电材料的性能主要是通过单纯纳米化(包括制备纳米超晶格、纳米线、管、棒、点等)和在体材中掺杂纳米结构的方法来实现。实验发现,Bi2Te3和Sb2Te3构成的超晶格纳米薄膜在室温下的ZT值接近于2.4;用分子束外延法生长的PbSe0.98Te0.02/PbTe量子点超晶格薄膜室温下的ZT值接近于1.6,在550K下的ZT值接近于2.5。

多元纳米复合热电材料有望更进一步提高材料的热电性能。纯粹的体相掺杂并不能显著地提高材料的热电性能,而在体相中掺杂或原位生成量子点能够极大地提高材料的热电性能。Hsu等探索了AgPbmSbTem+2,对PbTe经过合理地掺杂处理后,在700K下获得的ZT值达1.2(LAST-10)~1.7(LAST-18),在800K高达2.2,这个值高于目前所有体材的ZT值。他们借助于高分辨电镜,发现在基体中明显存在着1~10nm尺寸范围的量子点,使得该类体材具有高电导率和低的热导率。基于该研究的启发,科研人员利用机械合金化和放电等离子烧结技术合成了Ag0.8Pb18+xSbTe20材料,在673K时ZT值达1.37,其组成最佳比与已报道的组成不同。除了在体材中原位形成量子点外,一些研究者也考虑在体材中掺杂同种材料的纳米结构来增强材料的热电性能。研究了Bi2Te3纳米管掺杂相应体材后的热电性能,发现在450K时,ZT≈1。采用熔融纺丝和放电等离子烧结技术合成了具有层状纳米结构的Bi2Te3,室温下的ZT值高达1.35。

综上所述,虽然多元复合热电材料在提高二元材料热电性能方面取得了一定进展,但以上研究还是基于体材中掺杂处理来提高材料的热电性能。由于纳米尺度掺杂的均匀性难以控制,在纳米结构如纳米线、管等中原位掺杂纳米团簇及均匀掺杂其他元素,以及生长多元纳米复合热电材料阵列的研究还未见成熟的报道。快速、高效、大量地合成纳米热电材料一直是材料科学家追求的目标。


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