納米熱電材料的研究現(xiàn)狀及展望

　　低維熱電材料被認為相對塊材熱電材料有著更好的熱電性能，以下是小編搜集整理的一篇探究納米熱電材料研究現(xiàn)狀的論文范文，歡迎閱讀參考。

　　摘 要：文章旨在總結(jié)納米熱電材料的研究現(xiàn)狀，對當(dāng)前納米熱電材料的創(chuàng)新與發(fā)展理論基礎(chǔ)做了探索和解釋，并討論了下一代納米熱電材料制備的幾種發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞：熱電材料;低維材料;納米復(fù)合材料

　　隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，全球的能源需求量逐漸增大，世界所面臨的能源危機和環(huán)境污染兩大問題也日益嚴重。目前市場上的熱電發(fā)電器件的轉(zhuǎn)化效率約為5%。Bi2Te3、PbTe、Si1-xGex等熱電材料的ZT最大值只有1左右，而只有當(dāng)ZT>2的時候熱電材料才有可能得到廣泛的應(yīng)用。近年來納米結(jié)構(gòu)的熱電材料如超晶格、納米線、量子點和納米復(fù)合材料在熱電優(yōu)值ZT上有了很大的提高。本文將著重綜述近幾年來納米尺寸或者說納米結(jié)構(gòu)的熱電材料所取得的重大進展，并對熱電性能提高的理論基礎(chǔ)作出闡述。

　　1 熱電材料研究進展

　　1.1 聲子玻璃電子晶體類型的熱電材料

　　Slack提出了最佳熱電材料的類型，即“聲子玻璃電子晶體”，這種材料同時具備類似玻璃的熱導(dǎo)率和類似晶體的電導(dǎo)率，一般來說，這種材料分布著著大量的由原子構(gòu)成的籠狀大型狀孔隙，異質(zhì)元素的原子以弱束縛狀態(tài)存在于這些大型狀孔隙中。異質(zhì)原子在孔隙中能夠產(chǎn)生一種居于化程度很大的非簡諧振動，被稱為“振顫子”，由于這種振動相對于晶體中的其它原子是完全獨立的，它能在保證材料電導(dǎo)率的前提下有效地降低熱導(dǎo)率。典型的聲子玻璃電子晶體熱電材料有方鈷礦，包合物材料和β-Zn4Sb3等。

　　1.2 納米結(jié)構(gòu)熱電材料

　　低維熱電材料被認為相對塊材熱電材料有著更好的熱電性能，因為它的費米能級附近的態(tài)密度通過量子限制效應(yīng)得到了增強從而使塞貝克系數(shù)得到了增強，并且低維熱電材料中大量的凈截面能有效的散射聲子，使熱導(dǎo)率降低。

　　1.2.1 二維熱電材料：量子阱和超晶格

　　Kicks和Dresselhaus首次通過計算提出Bi2Te3量子阱層間量子限制效應(yīng)使費米能級附近的態(tài)密度增加，從而提高了塞貝克系數(shù)。他們還提出如果Bi2Te3層的厚度小于聲子的平均自由程，層與層之間的晶界面就會強烈地散射聲子從而大幅度地降低熱導(dǎo)率。Harman等人在此基礎(chǔ)上將PbSe的納米點嵌入到PbTe的晶格中發(fā)展了PbTe PbSeTe的量子點超晶格薄膜，最優(yōu)ZT值達1.6，明顯高于相應(yīng)塊材的ZT值(0.34)。Shakouri認為是由于二維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的量子限制效應(yīng)增加了冷端和熱端摻雜能級的差異性，導(dǎo)致了塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率的增加。目前基于二維熱電材料的薄膜、量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)已經(jīng)可用于小負荷或低發(fā)電量的電子激光點設(shè)備。

　　1.2.2 一維納米熱電材料：納米線

　　理論研究表明，與二維納米熱電材料相比，一維納米線結(jié)構(gòu)具有更強的量子限制效應(yīng)和聲子散射，熱電性能將會得到進一步增強。納米管結(jié)構(gòu)由于內(nèi)表面和外表面聲子散射作用，晶格熱導(dǎo)率相比納米線將進一步降低。Hochbaum等人采用化學(xué)蝕刻的方法制備了直徑為50 nm的表面粗糙的Si納米線，由于粗糙表面對聲子形成了有效地散射，它的ZT值在室溫的時候達到了0.6，是相應(yīng)塊材熱電材料的30倍。Boukai等人指出納米線的熱導(dǎo)率隨著直徑的增加而降低，納米線的聲子拖拽可增加納米線的塞貝克系數(shù)，并制備出直徑為20 nm表面粗糙的納米線，ZT值在200 k時達到了1。目前懸絲法可用來測試單個納米線、納米管、納米帶的熱電性能，但納米線必須以陣列的形勢嵌入到基體里才能應(yīng)用到實際的熱電轉(zhuǎn)換中，保證納米線陣列良好的電接觸將是一個很大的難題。

　　1.2.3 納米復(fù)合熱電材料

　　納米復(fù)合熱電材料旨在將納米尺寸的多晶和晶界面引入到塊材熱電材料里增加聲子散射從而降低晶格熱導(dǎo)率，提高塊材材料的ZT值。由于電子的平均自由程范圍遠小于聲子的平均自由程(聲子的平均自由程范圍一般在幾納米到幾百納米，電子的平均自由程一般只有幾納米)，因此理論上來講，通過在納米材料中摻雜不同尺寸的納米顆粒可有效地降低平均自由程分布較寬范圍的聲子的弛豫時間，而對平均自由程分布小的載流子影響很小。制備納米復(fù)合材料的方法通常是先是通過高能球磨、濕化學(xué)法等方法制得納米級別的粉末，制備得到的粉體通過熱壓、放電等離子燒結(jié)等制備方法將粉體壓制成內(nèi)部為納米結(jié)構(gòu)的塊材。納米結(jié)構(gòu)使得塊材內(nèi)部引入了大量的晶界、相界和晶格缺陷，它們能有效地降低材料的熱導(dǎo)率。相對傳統(tǒng)方法制備的大晶粒晶體或單晶有以下的突出優(yōu)勢：熱導(dǎo)率低，功率因子高(晶界處載流子過濾效應(yīng))，機械性能更好，有著更好的各向同性。常見的低溫中溫高溫?zé)犭姴牧螧i2Te3、PbTe、Si1-xGex均已制備出納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，ZT值得到了顯著的提升。

　　2 發(fā)展趨勢與展望

　　高效的熱電性能源于熱電材料的內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)、合成方法和器件組裝水平。進一步的研究將會繼續(xù)圍繞在半導(dǎo)體的窄帶隙、重摻雜、點缺陷和納米結(jié)構(gòu)這幾個方面。特別是對于熱電實際應(yīng)用來說，合成納米復(fù)合材料的方法必須具備以下特征：高品質(zhì)，低成本，可大規(guī)模生產(chǎn);可壓制成塊材，便于機械加工和組裝;納米結(jié)構(gòu)具備熱穩(wěn)定性;熱電ZT值高于對應(yīng)塊材。如何獲得更合理的制備工藝和最優(yōu)化的納米結(jié)構(gòu)需要做進一步的定量分析，以便熱電發(fā)電和制冷在實際中得到更廣泛的應(yīng)用。

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