新颖热电材料的设计合成、结构与热电性能关系

高等物理化学新颖热电材料的设计合成、结构与热电性能关系研究背景roug研究背景能源短缺研究背景热电材料简介1.什么是热电材料热电材料（也称温差电材料，thermoelectricmaterials）是一种利用固体内部载流子*运动，实现热能和电能直接相互转换的功能材料。2.什么是热电效应热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，包括Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应。Seebeck（塞贝克）效应塞贝克（Seebeck）效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。Seebeck效应主要应用于热电发电。Peltier（帕尔贴）效应1834年，法国的物理C．A．Peltier观察到，两个不同的导体a和b连接构成回路后通以电流，在接点处的温度会发生变化，产生放热或吸热现象，改变电流的方向，放热和吸热也随之反向，这即是Peltier效应。与Seebeck效应刚好相反，Peltier效应反映的是电能直接转变成热能的现象，主要应用于热电制冷。Thomson（汤姆逊）效应IT1T2++++++++++++T1T21851年，Thomson发现当电流通过存在温度梯度的单一导体时，会产生可逆的热效应，称为Thomson效应。Thomson效应则反映了在单一均匀导体中热电转换的现象。即：当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆逊热）。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆逊效应（Thomsoneffect）。三个热电效应并不是完全独立的，它们可以由Kelvin关系式联系起来：α是Seebeck系数，π为Peltier系数，τ为Thomson系数。热电优值(ZT)α：seebeck系数σ：电导率κ：热导率其中：Seebeck系数和电导率与材料的载流子浓度*、平均自由程*、态密度*等电子输运性质有关；而热导率则与材料的声子*平均自由程，声子的运动速率等声子输运特性有关。热电优值代表了材料的热电能量的转换效率，它的突破是热电材料以至热电设备得以广泛应用的前提。评价热电性能的标准优异热电性能：Seebeck系数大电导率高热导率低热电材料的研究意义制造热电发电机或热电致冷器的材料称为热电材料,是一种能实现电能与热能交互转变的材料。其优点如下:（1）体积小,重量轻，坚固,且工作中无噪音;（2）温度控制可在±0.1℃之内;（3）不必使用CFC(CFC氯氟碳类物质，氟里昂。被认为会破坏臭气层)，不会造成任何环境污染;（4）可回收热源并转变成电能(节约能源)，使用寿命长，易于控制。主要的材料体系SiGe体系PbTe体系Bi2Te3/Sb2Te3体系Skutterudite复杂氧化物金属硅化物高温中温低温Bi2Te3/Sb2Te3适用于低温，在室温附近热电优值达到1（相应的热电转换效率约为7~8％），被公认为是最好的热电材料，目前大多数热电制冷元件都是使用这类材料。PbTe体系适用于500~900K的中温，热电优值最大可达0.8，可用于温差发电。SiGe体系多用于900K以上，这类具有金刚石结构的材料的晶格热导率很高，因而热电优值很低，目前只是在卫星和空间站的温差发电系统比较常用。热电材料研究和应用的瓶颈热电材料一些突破性进展•一些新型化合物的热电优值已经明显接近或突破1的难关。如热电化合物CsBi4Te6(ZT=0.8)通过引入铯离子，改变了原Bi2Te3的晶体结构。•新概念“电子晶体，声子玻璃”设计思想的提出。如：部分特殊结构的笼状化合物（填充型方钴矿结构化合物、Ⅰ型笼合物结构化合物等）验证了这一理念，也表明如何在分子原子水平上构筑新结构类型的热电材料是提升热电性能的有效的方法。•此外，微观结构分析水平的提高和纳米科学的发展也给热电材料的发展带来了新的机遇。如：AgPbmSbTe2+m类材料（ZT=2.2）就是通过在传统的PbTe材料块中分布AgSb纳米颗粒实现热电优值改进。三维笼状二维层状特殊原子基团电子晶体声子玻璃•所谓电子晶体-声子玻璃是指使材料同时具有晶体和玻璃二者的特点即，导电性能方面象典型的晶体,有较高的电导率；热传导性能方面如同玻璃，有很小的热导率。按照这一指导思想，GA.Slack等8提出应设计一种化合物半导体，在这种化合物中，一个原子或分子以弱束缚状态存在于由原子构成的笼状超大型的状孔隙中时，这种原子或分子在孔隙中即能够产生一种局域化程度很大的的非简谐振动，这种振动相对晶体中的其它原子来讲是完全独立的，因此被称为振颤子。早期的研究表明，在绝缘晶体中，局域化的振颤子(又称为Einstein摇摆子)有时可以使其热导率降低至同成分的玻璃的热导率的水平。在热电半导体晶体中，这种振颤子同样也有降低材料的热导率的作用。显然，在某一特定温度区间内材料热导率降低的程度受到振颤子的浓度、质量百分比及其振颤频率等参数的直接影响，调节这些参数可以调节材料的热导率，但是材料的热导率有一最低的极限值。改善热电性能的途径电子晶体-声子玻璃改善热电性能的途径降低晶格热导率改善热电性能的途径提高功率因子改善热电性能的途径热电材料低维化热电材料领域的研究工作•如何在原子级别上实现热电新体系的结构设计及新颖结构热电化合物的可控、稳定合成。•如何在纳米尺度上实现纳米热电材料及纳米复合材料的可控、稳定及宏量合成。•热电输运微观机理的深入认识。即结合理论和实验化学，对热电材料的热电性能与原子结构、微观纳米结构的关系进行研究。热电材料常用合成方法•热挤压法有些类似于热压，只是它多了一个挤压变形过程，是将材料加热到一定温度，根据需要在一定气氛或真空下给予材料一定的压力，使其受力变形，从而改善和提高材料的性能。•溶剂热法是一种新型的纳米材料制备方法,该方法由于所需反应温度低、时间短、产物纯度高、粒度小(常为纳米级)等优点而成为近年来无机化学与材料化学领域中的有效合成方法之一.低维热电材料的研究现状低维热电材料的研究现状低维热电材料的研究现状低维热电材料的研究现状低维热电材料的研究现状一维纳米材料的热电性能测量一维纳米材料的热电性能测量纳米尺度成分不均匀热电材料AgPbmSbTe2+m晶体结构存在纳米尺度成分不均匀的原因热电材料的发展方向•高效新颖结构热电化合物的探索合成、结构调控及化合物结构与热电性能的关系研究；•高效纳米热电材料及纳米复合热电材料的探索；•新型热电输运协同改良的微观机理的理论研究；•热电材料的新应用研究。由于知识水平有限，请同学们认真聆听曾老师的专业讲解！