新的高功能热电制冷材料——CsBi_4Te_6

热电效应制冷具有体积小、无运动部件和操作方便等优点 ,与注重环保和节能的国际趋势相适应 ,有关研究受到了世界各国的高度重视 .在亚室温区 (2 0 0— 30 0Ｋ)实现制冷与我们生活的关系最为密切 .不幸的是 ,该温区的热电制冷材料 ,其性能在过去的 30年中一直没有得到优化发展 .通常 ,用无量纲组合参数ＺＴ来衡量热电材料性能的优劣 ,其中Ｔ是绝对温度 ,Ｚ =α2 σκ ,α是Ｓｅｅ ｂｅｃｋ系数 (单位Ｖ/Ｋ) ,σ是电导率 (单位 1/Ω·ｍ) ,κ是热导率 (单位Ｗ /ｍ·Ｋ) .目前 ,在亚室温区可利用的最佳材料是Ｂｉ2 -ｘＳｂｘＴｅ3.从 10 0Ｋ到…     

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     

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. 关键词： 2Te₃')" href="#">Bi₂Te₃ 放电等离子体快速烧结 热电性能     

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.     

(Sb2Te3)0.75(1－x)(Bi2Te3)0.25(1－x)(Sb2Se3)x机械合金化粉体的制备及其冷压烧结样品的热电性能研究

采用机械合金化法制备了p型赝三元(Sb₂Te₃-Bi₂Te₃-Sb₂Se₃)合金粉体，对其进行XRD分析表明Te，Bi，Sb，Se单质粉末，经100h球磨后实现了合金化；SEM分析表明所得机械合金化粉体材料颗粒均匀、细小，颗粒尺寸在10nm到100nm量级.使用这种粉体制备了冷压烧结块体样品，在室温下测量了温差电动势率(α)和电导率(σ)，研究了烧结温度对材料热电性能的影响，结果表明在低于300℃的烧结温区，样品室温下的热电性能随烧结温度的升高不断提高，功率因子(α²σ)由未烧结样品的0.59μW cm^-1K^-2升高到在300℃下烧结样品的15.9μW cm^-1K^-2，这一结果对确定材料的最佳烧结温度具有重要意义. 关键词： 赝三元热电材料 机械合金化 冷压 烧结     

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     

晶粒尺寸对CoSb3化合物热电性能的影响

系统地研究了晶粒尺寸对CoSb3化合物热电性能的影响规律,结果表明晶粒尺寸对CoSb3化合物的晶格热导率κp、电导率σ、能隙宽度Eg和Seebeck系数α有显著影响.当晶粒尺寸由微米尺度减小到纳米尺度时,晶格热导率κp显著降低,Seebeck系数α有较大幅度的增加,能隙宽度Eg变宽,电导率σ有一定程度的下降.平均晶粒尺寸为200nm的CoSb3化合物在温度为700K时,ZT值达到0.43,比平均晶粒尺寸为5000 nm的试样增加了4倍.     

热电材料研究进展

在介绍热电材料制冷工作原理，分析热电材料优值系数的基础上，介绍了300K以下热电材料的研究进展，分析了热电材料的制冷特点、现状和应用前景．     

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.     

Ti1－x(Hf0.919Zr0.081)xNiSn的制备及热电性能

采用固相反应法合成了单相的Ti_1-x(Hf_0.919Zr_0.081) _xNiSn (x＝0.00—0.15)，并用放电等离子烧结方法制备出密实块体材料. 研究 了Hf和Zr同时在Ti位上的等电子合金化对Ti基半Heusler化合物热电性能的影响规律. 结果 表明：少量的Hf和微量的Zr在Ti位上的等电子合金化，显著地降低了体系的热导率κ，同时 显著地提高了体系的Seebeck系数α. 组成为Ti_{0.85关键词： 半Heusler 固相反应 热电性能}     

Si微/纳米带的制备与热电性能

目前,低维材料是热电领域研究的热点,因为块体材料低维化后热电性能会得到显著的改善.块体材料低维化有很多方法,本文基于半导体微加工和聚焦离子束技术制备了尺寸可控的Si微/纳米带,并通过微悬空结构详细研究了不同尺寸Si微/纳米带的热电性能.实验发现:随着Si微/纳米带宽度的减小,材料的热导率发生了显著的降低,从体硅的148 W/(m·K)降低到17.75 W/(m·K)(800 nm);材料的Seebeck系数低于相应的体Si值.热导率的降低主要来源于声子边界散射的增加,这显著抑制了Si材料中声子的传输行为,从而影响热能的传输和转换.在373 K时,800 nm宽的Si微/纳米带的ZT值约达到了0.056,与体硅相比增大了约6倍.聚焦离子束加工技术为将来Si材料提高热电性能提供了新的制备方案,这种技术也可以应用于其他材料低维化的制备.     

p-型层状氧化锌的热电性质研究

采用第一性原理和玻尔兹曼输运理论,我们系统的研究了p-型二层氧化锌的热电性质.基于对单层氧化锌的晶格优化,计算得到其无虚频的声子谱,证明了它的热力学稳定性.由此构建了热力学性质稳定的二层氧化锌.采用实空间有限差分法生成了二层氧化锌的二阶和三阶力常数,然后得到了其声子散射和晶格热导率,使用两种计算方法得到了其晶格热导率在室温下分别为κ_ι~(BTE)=2.65 W/m·K和κ_ι~(RTA)=2.38 W/m·K.并且得到了p-型二层氧化锌在300 K至900 K等差温度下的热电优值为0.052～0.601,证明通过调节温度可以获得较高的热电优值.     

热电材料研究进展

在介绍热电材料制冷工作原理,分析热电材料优值系数的基础上,介绍了300K以下热电材料的研究进展,以及热电材料制冷特点、现状和应用前景．     

晶粒尺寸对CoSb3化合物热电性能的影响

系统地研究了晶粒尺寸对CoSb₃化合物热电性能的影响规律，结果表明晶粒尺寸对CoSb₃化合物的晶格热导率κ_p、电导率σ、能隙宽度E_g和Seebeck系数α有显著影响.当晶粒尺寸由微米尺度减小到纳米尺度时，晶格热导率κ_p显著降低，Seebeck系数α有较大幅度的增加，能隙宽度E_g变宽，电导率σ有一定程度的下降.平均晶粒尺寸为200nm的CoSb₃化合物在温度为700K时，ZT值达到0.43，比平均晶粒尺寸为5000nm的试样增加了4倍.     

圆锥形热电臂的热电制冷器制冷性能和热应力分析

建立了三维圆锥形热电臂的热电制冷器的有限元模型,考虑了热电材料对温度的依赖性,研究了输入电流和热电臂的几何形状对圆锥形热电臂的热电制冷器制冷性能和热应力的影响,并与传统矩形做了对比。研究结果表明,圆锥形热电臂形状的设计能减小热电制冷器的最大热应力,热端铜片与焊料连接处热应力较大容易遭到破坏,适当增加热电臂的高度和冷热端横截面积之比可使冷端温度分别降低11.56 K、9.5 K。优化后的圆锥形热电臂的热电制冷器与矩形相比,冷端温度降低了1.53 K,最大热应力减小了8.9%,制冷性能提升的同时最大热应力也有所减小。     

150K温区混合工质采用带预冷的林德制冷机的实验研究

提出了利用带预冷的林德制冷系统获得了150K温区的制冷方案。建立了实验装置,进行了不同配比的三元混合工质(R23/R14/Ar)的制冷循环的性能实验。实验结果表明:三元混合工质(R23/R14/Ar)的最佳配比为0.46:0.39:0.15,在无热负荷时,制冷温度为150K时,降温时间为85m in。     

改善Te基热电材料与复合电极界面性能

Te基热电材料以其优异的热电性能得到科研工作者的广泛关注,但该领域关于器件制备和连接界面方面的研究尚属空白.本研究基于成分梯度、载流子浓度梯度构成的多元梯度势场对界面粒子传输过程的协同调控机制,在热电材料Te和电极Fe之间引入b(FeTe)作为阻隔层,设计制备了Te/b(FeTe)/Fe梯度连接结构,并对界面新相、接触电阻和机械性能进行了研究.研究结果表明,中间合金层b(FeTe)与热电材料和电极材料的界面组织结构致密,有效阻隔了界面元素间严重的交互扩散.该b(FeTe)-Te间形成了约40μm的反应层, b(FeTe)与Fe和Te间的接触电阻分别为4.1和7.54μW·cm2,剪切强度分别为16.11和15.63 MPa.时效温度对梯度连接结构的服役寿命和性能影响显著, Te/b(FeTe)/Fe的界面组织在553 K温度下时效15 d,界面性能保持稳定;当时效温度升至573 K时,由于高温下材料的不稳定性,导致性能随着退火时间的延长急剧下降,并在10 d之后完全破坏,这表明其最佳工作温度不得高于553 K.该梯度连接结构成功实现了抑制界面元素过度扩散、降低界面残余应力以及提升界面工作稳定性和服役寿命等目的,其设计思路和研究结果对半导体领域器件的制备具有重要借鉴意义.     

新型变截面热电制冷元件结构优化研究

本文采用COMSOL Multiphysics 6.0软件建立了三维变截面热电制冷器(TEC)模型，采用有限元分析法研究了热冷端截面面积比和支腿高度对TEC性能的影响，并与传统热电制冷元件性能进行了对比。研究结果表明，增加支腿高度和合理改变支腿形状能够显著改善TEC的冷却性能。当热冷端截面面积比为0.4时，支腿高从0.6 mm增加到1.2 mm,冷端温度可降低6.0%。优化后TEC元件的冷端温度比传统元件低8.64 K,制冷性能提高了3.19%。材料的选择和放置顺序也影响变截面分段式TEC的性能。     

热电制冷器的过冷特性及其性能的优化综述

固态、体积小、无噪音、可靠性高和绿色环保等优点使得热电制冷器(Thermoelectric cooler,TEC)成为目前应用最为广泛的制冷器件之一.自热电材料问世以来,围绕提升热电制冷性能的研究主要集中于制备高Z值的热电材料.1970年发现的过冷特性则改变了这一现状,使得采用同样材料制作的TIEC可以达到更大的瞬态温...     

低维材料的热导率

一根导热棒 ,如果在它的两端存在温差 ,便会有热量从高温端流向低温端 .这种能量在固体中的传输 ,不是沿着棒按照直线路径完成的 ;其间 ,导热声子将遭遇到频繁的碰撞 ,从而产生热阻 .表征材料导热性能的物理量是热导率κ[单位是W /(m·K) ],而传输的热流密度 jQ(W /m2 )与温度梯度成正比 ,即 jQ=-κdT/dX .如果声子在传输过程中不经历散射 ,则不论导热棒多长 ,jQ 将不依赖于温度梯度 ,而仅仅取决于两端的温差 .引入声子平均自由程l ,经典理论给出 ,κ =(1/3)Cvl,其中C是单位体积材料的热容 ,v是声子的平均速度 .在低温下 ,对于无杂质缺…