热电材料的热输运调控及其在微型器件中的应用

热电能量转换技术是一种利用材料实现热能和电能直接相互转换的清洁能源技术.热电材料的性能是决定热电转换效率的关键因素,而热电材料的性能优化涉及电输运和热输运性能的协同优化.文章介绍了近期热电材料中热输运的调控机制和方法,其中重点论述了基于原子分子层次调控热传导的宽频声子散射效应和横波阻尼效应,以及低维结构和复合材料中的基于纳米微米尺度的微结构调控.最后介绍了室温附近热传导的调控机制及其在高效微型热电器件研发中的应用和进展.     

硒化亚铜薄膜热电性能研究进展

热电材料可以实现热能和电能的相互转换,它是一种环境友好的功能性材料.当前,热电材料的热电转换效率低,这严重制约了热电器件的大规模应用,因此寻找更加优异热电性能的新材料或提高传统热电材料的热电性能成为热电研究的主题.与块状材料相比,薄膜具有二维的宏观性质和一维的纳米结构特性,方便研究材料的物理机制与性能的关系,还适用于制备可穿戴电子设备.本文总结了Cu₂Se薄膜5种不同的制备方法,包括电化学沉积、热蒸发、旋涂、溅射以及脉冲激光沉积.另外,结合典型事例,总结了薄膜的表征手段,并从Cu₂Se的电导率、塞贝克系数和热导率等参数出发,讨论了各个参数对热电性能的影响机制.最后介绍了Cu₂Se薄膜热电的热门应用方向.     

(Bi1-x Agx)2(Te1-ySey)3粉体的机械合金化制备及其放电等离子烧结体的热电输运特性

采用机械合金化制备了n型(Bi1-x Agx)2(Te1-y Sey)3合金粉体,对其进行XRD分析表明Bi,Te,Ag,Se单质粉末,经2 h球磨后实现了合金化;SEM分析表明随着机械合金化时间延长粉体颗粒变得均匀、细小,颗粒尺寸在微米至哑微米数量级.采用放电等离子烧结制备了块体样品,研究了合金成分和球磨时间对热电件能的影响.结果表明材料的热电性能与掺杂元素有密切关系.Ag有利于提高功率因子和降低晶格热导率,球磨10 h的(Bi0.99Ag0.01)2(Te0.96Se0.04)3合金粉末的烧结块体具有最大的功率因子和最低的晶格热导率,并在323 K取得最高ZT值0.52.     

PbSe-MnSe纳米复合热电材料的微结构和电热输运性能

相比于常见的热电材料PbTe, 另一种硫族铅化合物PbSe具有熔点高、Se储量更丰富等优势, 从而越来越受到科学界的关注. 本文采用熔融淬火结合快速热压烧结工艺制备了Pb_0.98-xMn_xNa_0.02Se(0 ≤x ≤ 0.12)纳米复合热电材料, 系统地研究了不同Mn含量对材料微纳结构、机械性能和热电性能的影响规律. 发现纳米复合样品中有面心立方结构的MnSe球状和薄层状析出物, 显微硬度得到显著增强. 少量固溶的Mn增加了能带简并度, 使功率因子提高, 球状析出物使声子散射增强、热导率降低, 体系的热电优值ZT得到优化; 但是当Mn含量更高时, 赛贝克系数趋于饱和, 连续析出物使晶格热导率反常增大, ZT 没有得到进一步改善. 通过进一步调节Na含量优化了载流子浓度, 获得了ZT=0.65的PbSe-MnSe纳米复合热电材料.     

非等电子Sb替换Cu和Te后黄铜矿结构半导体Cu_3Ga_5Te_9的热电性能

热电材料是一类能够实现热与电相互转换的功能材料,在制冷和发电领域极具应用潜力.本文采用金属Sb元素非等电子替换Cu3Ga5Te9化学式中的Cu和Te,观察到材料Seebeck系数和电导率提升的现象.这些电学性能的改善与载流子浓度和有效质量的增大及迁移率基本维持不变有关.载流子浓度的提高是由于Sb原子占位在Te晶格位置后费米能级进入到价带所产生的空穴掺杂效应所致,同时也与Cu含量减少后铜空位(V-1Cu)浓度增大相关联.另外,非等电子替换后,阴离子(Te2-)移位导致了晶格结构缺陷参数u和η的改变,其改变量fiu和fiη与材料晶格热导率(κL)的变化密切相关.在766 K时,适量的Sb替换量使材料的最大热电优值(ZT)达到0.6,比Cu3Ga5Te9提高了近25%.因此,通过选择替换元素、被替换元素及替换量有效地调控了材料的电学及热学性能,在黄铜矿结构半导体中实现了非等电子元素替换改善热电性能的思想.     

热电材料研究中的基础物理问题

热电转换技术主要包括利用半导体材料的泽贝克（Seebeck）效应将热能直接转化成电能和利用佩尔捷（Peltier）效应直接将电能转化成热能.文章简单回顾了热电转换材料中的物理效应及相关研究进展,重点介绍了常规热电材料（即窄带半导体）中的一些基本物理问题,其中包括一个好的热电材料应该具有的特性,以及提高半导体材料的电导率和泽贝克系数,降低热导率的物理机制和方法.文章还介绍了近年来电子晶体-声子玻璃类材料以及低维热电材料等热点问题的研究进展.最后还简单讨论了非常规热电材料的研究现状与趋势.     

纳米SiO2复合对Mg3Sb2基材料热电性能的影响

Mg₃(Sb,Bi)2基热电材料由于其优异的热电性能和较低的成本近来受到广泛的关注.本研究通过将纳米SiO₂复合进成分为Mg_3.275Mn_0.025Sb_1.49Bi_0.5Te_0.01的基体相中,考察其热电输运性能的变化及机制.结果表明,当SiO₂复合进Mg₃Sb₂基材料中时,由于引进大量的微小晶界,能有效地散射声子,促使晶格热导率降低,优化热输运性能,如SiO₂体积含量为0.54%时,室温时热导率由复合前的1.24 W/(m·K)降至1.04 W/(m·K),降幅达到15%;同时其对电子也产生强烈的散射作用,导致迁移率和电导率大幅下滑,结果表现为近室温区功率因子剧烈衰减,恶化了电输运性能.电性能相对于热性能较大降低幅度使得材料在整个测试温区的热电优值没有得到改善.纳米SiO₂作为Mg₃Sb₂     

二维材料XTe_2(X=Pd,Pt)热电性能的第一性原理计算

利用密度泛函理论结合玻尔兹曼输运方程,预测了二维层状热电材料XTe_2 (X=Pd, Pt)的热电性质.两种材料都具有较低的热导率,材料的晶格热导率随温度的升高而降低,且表现出各向异性.而电子热导率随温度的升高而升高.在较低温时,晶格热导率对总热导率的贡献占据主导地位.较高的载流子迁移率、电导率及塞贝克系数也对材料的热电转换效率产生极大的影响,展现出较为优异的电输运性能.对比分析PdTe_2和PtTe_2两种材料的ZT值,发现两种材料的热电性能以p型掺杂为主. PtTe_2单层的ZT值高于PdTe_2单层,并且PtTe_2单层在常温下的ZT峰值可达到2.75,是一种极具潜力的热电材料.     

碲化铋取向纳米柱状薄膜热导率测量

将热电材料制作成纳米柱状薄膜结构是一种理论上能有效降低热导率、从而大幅提升热电优值的操控手段。但是随之而来的问题是纳米柱状薄膜热导率的精确获取困难,因为常规的热物性测试手段已无法适用于该类表面多孔、厚度为微米量级结构热输运特性的表征。本文提出利用3ω方法可实现Bi_2Te_3取向纳米柱状薄膜热导率实验表征的测量结构,并且获得了纳米柱状薄膜的热导率和热扩散率值。该方法有望用于微米厚纳米柱状薄膜结构热输运性能的实验评价。     

氧化铟/聚(3,4-乙烯二氧噻吩)复合材料的微结构及其热电性能研究

通过化学氧化合成的方法将纳米In_2O_3复合到聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)中得到In_2O_3/PEDOT复合材料.利用X射线衍射、红外光谱、电子显微镜及正电子湮没等方法对复合材料的微观结构进行了系统研究,同时对材料的热学和电学性能进行了表征.结果表明,当In_2O_3的含量在22 wt%以下时,In_2O_3能很好地分散到PEDOT基体中.热电性能测试则显示In_2O_3/PEDOT复合材料的导电率随In_2O_3含量增加明显增大.纯PEDOT的电导率仅为7.5 S/m,而含12.3 wt%In_2O_3的复合材料的电导率达到25.75 S/m.该复合材料相应的功率因子(68.8×10~(-4)μW/m·K~2)相对于纯的PEDOT(14.5×10~(-4)μW/m·K~2)提高了近4倍.另外,复合材料的热导率相对于纯PEDOT也有所降低.最终复合材料的热电优值由0.015×10~(-4)提高到了0.073×10~(-4).结果表明,In_2O_3/PEDOT复合材料的热电性能相对于纯PEDOT的热电性能得到了比较明显的提高.     

Ag-ZnO纳米复合热电材料的制备及其性能研究

ZnO是一类具有潜力的热电材料, 但其较大声子热导率影响了热电性能的进一步提高. 纳米复合是降低热导率的有效途径. 本文以醋酸盐为前驱体, 溶胶-凝胶法制备了Ag-ZnO纳米复合热电材料. 扫描电镜照片显示ZnO颗粒呈现多孔结构, Ag纳米颗粒分布于ZnO的晶粒之间. Ag-ZnO纳米复合材料的电导率比未复合ZnO材料高出100倍以上, 而热导率是未复合ZnO材料的1/2. 同时, 随着Ag添加量的增加, 赛贝克系数的绝对值逐渐减小. 综合以上原因, 添加7.5%mol Ag的Ag-ZnO纳米复合材料在700 K时的热电优值达到0.062, 是未复合ZnO材料的约25倍. 在ZnO基体中添加导电金属颗粒有利于产生导电逾渗通道, 提高材料体系的电导率, 但同时导致赛贝克系数的绝对值减小. 总热导率的差异来源于声子热导率的差异. 位于ZnO晶界的纳米Ag颗粒, 有利于降低声子热导率. 关键词： 热电材料 ZnO 纳米复合 热导率     

Se替代Te对BiCuTeO电热输运性能的影响

层状氧硫族化合物由于其本征的低晶格热导率和可观的热电性能吸引了广泛关注,其中以BiCuSeO化合物的热电性能最为优异.但是,其同晶型化合物BiCuTeO,由于带隙较小且存在大量本征Cu空位,导致载流子浓度较高,热电性能较差,从而研究较少.针对BiCuTeO存在的上述问题,本文利用Se替代部分Te,以期能够展宽带隙并减少Cu空位,提高其热电性能.采用固相反应结合快速热压烧结制备了BiCuTe_(1-x)Se_xO(x=0, 0.1, 0.2, 0.3和0.4)块体热电材料,并系统地研究了该体系的电热输运性能.研究结果表明,利用Se替代Te,可以使BiCuTeO导电层化学键强度增加、带隙增大、载流子有效质量增加以及载流子散射增强,从而导致载流子浓度和迁移率同时降低,进而电导率随着Se含量增加而剧烈降低, Seebeck系数则显著增大.由于综合电输运性能恶化,功率因子随着Se含量增加而减小,导致热电优值zT随着Se含量增加而降低.最终,Se含量为x=0.1的样品,在室温和723 K时的zT值分别达到约0.3和0.7,仍然在较宽温区内保持较高的zT值.由于Se替代Te改变了BiCuTeO的能带结构,通过载流子浓度优化,有望进一步提高其热电性能.     

焊料层对热电制冷器性能的影响分析

热电制冷器广泛应用于热电制冷和热电发电等领域。建立了热电制冷器热电性能的三维有限元模型,进行多物理场耦合计算,考虑热电材料对温度的依赖性,对两种型号的热电制冷器中焊料层部分的结构尺寸进行了不同工况下的研究分析,对比不同焊料厚度和截面边长对热电制冷器最大温差及热电转换效率的影响。结果表明,焊料层截面边长和厚度对热电制冷器的最大温差影响显著,截面边长为热电壁尺寸的0.95～1.007 86范围内热电制冷器的最大温差能提升10 K,并且在0.970 59～0.975范围内达到最佳;厚度为0.08～0.093 3 mm时既能满足经济性又能使热电制冷器的最大温差提高13 K。     

TeI4掺杂量对n型Bi2Te3基烧结材料热电性能的影响

采用区熔法结合放电等离子体快速烧结(SPS)技术制备了n型Bi2Te3基热电材料.在300-500K的温度范围内测量了各热电性能参数,包括电导率(σ)、塞贝克系数(α)和热导率(κ),研究了掺杂剂TeI4的含量(质量百分比分别为0,0.05,0.08,0.10,0.13和0.15wt%)对热电性能的影响.结果表明:试样的载流子浓度(n)随TeI4含量增加而增大,使电导率增大、塞贝克系数的绝对值先增大而后减小,从而导致品质因子(α2σ)呈先增加后降低的变化趋势;同时,由于异质离子(I-)以及载流子对声子的散射作用增强,可显著降低其晶格热导率.烧结材料的性能优值(ZT=α2σT/κ)对应于TeI4含量为0.08wt%有其最大值,约为0.92.此外,烧结材料的抗弯强度增加至80MPa左右,从而可以显著改善材料的可加工性以及元器件的使用可靠性.     

制备工艺对p型碲化铋基合金热电性能的影响

利用区熔法、机械合金化、放电等离子烧结(SPS)技术、热压法等多种工艺制备了p型碲化铋基热电材料.在300—500K的温度范围内测量了各热电性能参数，包括电导率(σ)、塞贝克系数(α)和热导率(κ)，研究了制备工艺对热电性能的影响.结果表明，所制备的块体材料与同组成区熔晶体相比，性能优值ZT均有不同程度的提高.其中，利用区熔法结合SPS技术可获得热电性能最佳的块体材料，其ZT值达1.15. 关键词： 碲化铋 放电等离子烧结 区熔法 热电性能     

利用晶体结构工程提升GeSe化合物热电性能的研究

在热电研究领域, Ge Se是一种二维层状结构具有较大带隙的半导体,本征载流子浓度低,热电性能差.在本工作中,采用熔融淬火结合放电等离子活化烧结工艺制备了一系列的Ge Se_1–x Te_x (x=0, 0.05, 0.15, 0.25,0.35, 0.45)多晶样品,研究了Te含量对Ge Se化合物物相结构和热电输运性能的影响规律.结果表明:随着Te含量的增加, Ge Se的晶体结构逐渐由正交相向菱方相转变,使得材料的带隙降低,载流子浓度和迁移率同步增加;同时,晶体对称性的提高增加了化合物的能带简并度,有效提高了载流子有效质量.在这些因素的共同作用下,菱方相Ge Se的功率因子比正交相Ge Se提高约2—3个数量级.此外,菱方相Ge Se具有丰富的阳离子空位缺陷以及铁电特性所导致的声子软化现象,这导致其晶格热导率比正交相Ge Se降低近60%.当Te含量为0.45时,样品在573 K取得最大热电优值ZT为0.75,是本征Ge Se样品的19倍.晶体结构工程是提升Ge Se化合物热电性能的有效途径.     

Mn-In-Cu共掺杂优化SnTe基材料的热电性能

无铅硫族化合物SnTe因与PbTe具有相似的晶体结构和能带结构,近些年受到广泛关注,然而其较低的Seebeck系数、本征高Sn空位浓度以及高的热导率导致本征热电性能较差.本文通过高温高压结合热压烧结的方式制备了 Mn,In,Cu共掺杂的SnTe基热电材料.Mn带来的能带收敛和In引入的共振能级的共同作用提高了材料整个温度范围内的Seebeck系数,优化了材料的功率因子.此外,Mn合金化带来的点缺陷和Cu引入的间隙缺陷增强了声子散射,有效降低了材料的晶格热导率.多种策略结合下材料的电性能与热性能同时得到优化,其中Sn_(0.89)Mn_(0.15)In_(0.01)Te(Cu_2Te)_(0.05)样品在873 K时获得最大zT ≈ 1.45,300—873 K的平均zT达到0.76.多策略协同调控SnTe基热电材料时仍能较好地保持单策略所发挥的优异特性,这为进一步改进SnTe基热电材料性能提供了可能.     

机械合金化结合高压烧结制备PbSe-PbS固溶体合金的热电性能

硒化铅(PbSe)作为一种无碲热电材料受到广泛关注。采用机械合金化结合高压烧结方法制备了PbSe-PbS固溶体合金(PbSe1–x Sx),并研究了Se/S含量对其结构和热电性能的影响。结果表明:采用机械合金化法能够快速合成出PbSe1–x Sx固溶体合金粉末,高压烧结实现了其快速致密化;通过调整Se/S比例可以实现PbSe1–x Sx电输运性能和导电类型的调控;固溶体合金能够实现短波声子散射,显著降低PbSe材料的热导率;当x=0.5、温度为600 K时,PbSe1–x Sx的最高品质因子达到0.54,比PbSe的品质因子(0.33@450K)高64%。     

Co1-xNixSb3-ySey热电输运中晶界和点缺陷的耦合散射效应

结合机械合金化与放电等离子烧结工艺制备了Ni和Se共掺的细晶方钴矿化合物Co_1-xNi_xSb_3-ySe_y,研究了晶界和点缺陷的耦合散射效应对CoSb₃热电输运特性的影响.通过Ni掺杂优化载流子浓度提高功率因子.在x=0.1时,功率因子达到最大值1750μWm^-1K^-2(450℃),是没有掺Ni试样的两倍.晶界和点缺陷的耦合散射机理使晶格热导率急剧下降,其中Co_0.9Ni_0.1Sb_2.85Se_0.15的室温晶格热导率降低至1.67Wm^-1K^-1,接近目前单填充效应所能达到的最低值1.6Wm^-1K^-1,其热电优值ZT在450℃时达到最大值0.53.将Callaway-Von Baeyer点缺陷散射模型嵌入到Nan-Birringer有效介质理论模型,对晶界散射和点缺陷散射的耦合效应对热导率的影响进行了定量分析,模型计算与实验结果符合.理论模型计算表明,当晶粒尺寸下降到50nm同时掺杂引入点缺陷散射后,Co_0.9Ni_0.1Sb_2.85Se_0.15的晶格热导率下降到0.8Wm^-1K^-1. 关键词： 3')" href="#">CoSb₃ Ni和Se掺杂 热电性能 耦合散射效应     

CuGaTe_2和CuInTe_2的电子和热电性质的第一性原理研究

热电材料是通过载流子作用实现热能和电能直接转换的功能材料,在能源、环境、国防等领域具有重要应用.如何提高材料的转换效率是目前热电材料研究的关键.最近发现,三元黄铜矿Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ_2(Ⅰ=Ag,Cu;Ⅲ=Al,Ga,In;Ⅳ=S,Se,Te)是一类潜在的高性能热电材料,其结构独特,可通过多种途径优化其性能.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统地研究CuGaTe_2和CuInTe_2的电子特性,为提高其热电效率提供新思路研究发现改进的Becke Johnson-广义梯度近似比广义梯度近似交换关联近似计算的能隙值更接近实验值.基于玻尔兹曼理论研究了体系热电性质,发现通过优化载流子的浓度可以改善体系的热电性.通过拟合计算的晶格热导率发现,在300-800 K,CuGaTe_2和CuInTe_2的晶格热导率和温度成反比,表明其晶格热导率主要来源于声子散射,并且声子散射又是以Umklapp散射为主.CuGaTe_2在700 K的热电优值ZT可以达到0.63,远大于其他Te类材料的ZT值.