机器学习在热电材料领域的应用

在追求可持续发展的未来,热电材料是不可或缺的.它在全固态发电和制冷方面具有十分广泛的应用前景.在过去的几十年间,人们一直致力于寻找新型高性能热电材料.然而,传统的实验试错法效率较低,限制了新材料的研究步伐.机器学习作为一种具有强大数据分析能力的方法,近年来已越来越多地应用于热电材料的研究.这篇综述总结了热电材料研究领域常用的机器学习方法,系统地介绍了它们在材料结构、电子和热电输运等性质上的应用案例和相关研究进展,并对该领域的发展前景进行了展望.     

带有垂直石墨烯的金属热电堆红外探测器

热电堆红外探测器主要是由热电偶为基本单元所构成的一种探测器件,因其原理简单、工作时不需要冷却设备等优势已被广泛应用在生产生活的各个方面.然而,传统热电堆器件所选用材料的吸收率通常处在较低水平,并且大部分与微加工工艺不兼容.在此,本文设计提出了一种带有垂直石墨烯(vertical graphene,VG)的金属热电堆红外探测器.通过等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition,PECVD)生长VG并将其保留在器件的热结处,从而实现热电堆红外探测器的宽带和高响应特性.这种复合结构的探测器在波长792 nm的情况下,室温响应率最高可达1.53 V/W,与没有VG的热电堆红外探测器相比,前后响应结果可增加28倍左右,响应时间缩短至0.8 ms左右.该制备过程与微加工工艺相兼容,同时整体提升了器件性能,并适合于大规模生产.此外,利用表面等离激元共振的原理将VG与金属纳米颗粒相互结合,发现在前后同等条件下材料的光吸收有明显的增强,所产生的热电势响应最高可增6倍.以上结果表明,VG在多种应用中具有巨大的潜力,包括光电检测、微发电装置等,...     

块体热电材料的研究进展

文章重点介绍了现役热电材料（Bi2Te3,PbTe,SiGe）、常见结构类型（方钴矿型,笼合物型,Half-Heusler合金型,钠钴氧型和Zn4Sb3型）热电材料及新颖晶体结构类型的热电材料的晶体结构、热电性能、热电性能优化等方面的最新研究进展.     

Bi2Te3 合金低温热电性能及冷能发电研究

利用机械合金化和冷压烧结法制备得到n型和p型Bi₂Te₃基热电材料,在80—300 K温度范围测量了电导率、Seebeck系数,结果表明其具有良好的低温热电性能.采用Bi₂Te₃基热电材料制备出半导体热电器件,并配合附属设备搭建出一套半导体温差发电装置.利用液氮汽化时释放的冷能,对半导体热电器件的发电性能进行实验研究,得出这种半导体热电器件输出电压、输出功率与电流关系式,测得最大的输出功率达到1.33 W,从而证明了冷     

Sr2RuO4的热电势

Sr2RuO4是第一个无CuO面的层状强关联氧化物超导体.测量了9至260K温度范围内Sr2RuO4的热电势,观测到在此温度范围内其热电势为正值.用两种载流子模型对实验数据进行了拟合,并且与Hall系数的实验结果进行了比较,发现低温下两种载流子对热电势和Hall系数的贡献比较类似,但在高温区空穴对热电势的贡献很大而相应地对Hall系数的贡献不占主要地位. 关键词： Sr2RuO4 热电势     

Sm2-xCexCuO4单晶的赝能隙行为研究

我们在电子型超导体Sm1.85Ce0.15CuO4中首次观察到赝能隙的证据.研究了在O2中不同退火时间,单晶Sm1.85Ce0.15CuO4样品的电阻率ρ和热电势S,电阻率ρ的测量结果显示退火后样品高温区电阻率ρ、dρ/dT和热电势的斜率dS/dT斜率增加,意味着载流子浓度下降,与减小Ce掺杂量x的作用等效.所有的样品S～T和ρ～T曲线在某个温度T*下都发生斜率的改变,该转变温度随着退火时间的增加而向高温区移动,而且越来越明显.这可能是因为该温度下赝能隙被打开,热电势曲线在某个温度下存在一个最小值,这是载流子局域化的表现;热电势曲线上50K附近观察到一个明显的声子曳引峰,正的峰值表示载流子符号在低温区发生了改变,即由高温的电子型变为低温的空穴型,与霍尔系数实验中斜率变化一致.     

新型超导体MgB_2的热电势和电阻率研究

测量了MgB-2的热电势和电阻率与温度的依赖关系.在100K—300K区间,热电势呈近似线性温度依赖关系,其斜率为正,表明载流子为空穴型且与能带贡献的图像相一致.与此对应,在此温区电阻率呈T2依赖关系.在100K以下,热电势和电阻率各自转变了其高温区的温度依赖关系.热电势在超导转变温度Te(零电阻36.6K)到100K间有一宽峰,具有声子曳引峰的特征,表明电子-声子相互作用很强.估算了一些重要的参数,如带米能EF、能带宽度等.     

D相AlCuCo准晶各向异性热电势的测量

采用激光交流加热的方法测量了D相AlCuCo准晶周期与准周期两个方向的热电势,温度测量区间为300—1200 K.通过测量发现沿周期方向的热电势符号为负,沿准周期方向的热电势符号为正;沿周期方向在1123 K（850 ℃）热电势有一个跳变;在高温区,热电势并不是单调变化的;实验所用方法能比较灵敏地测量材料相变时的温度点. 关键词： AlCuCo准晶 高温 热电势 交流测量法     

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.     

新型超导体MgB2的热电势和电阻率研究

测量了MgB₂的热电势和电阻率与温度的依赖关系.在100K—300K区间,热电势呈近似线性温度依赖关系,其斜率为正,表明载流子为空穴型且与能带贡献的图像相一致.与此对应,在此温区电阻率呈T²依赖关系.在100K以下,热电势和电阻率各自转变了其高温区的温度依赖关系.热电势在超导转变温度T_c(零电阻366K)到100K间有一宽峰,具有声子曳引峰的特征,表明电子-声子相互作用很强.估算了一些重要的参数,如带米能E_F、能带宽度 关键词： 新型超导体 热电势 电阻率     

TlBaCaCuO超导体的热电势率

测量了零电阻温度为114K 的 TlBaCaCuO 超导体的热电势率,结果表明,在150K 以上热电势率与温度的关系可用 S=AT+B/T 表示,说明在这类高温超导体中声子曳引热电势即使在高温区也不能忽略,存在电-声子相互作用.     

热电材料研究新进展

<正>基于半导体材料的塞贝克效应或帕尔贴效应可实现热能与电能直接相互转换,包括热电制冷和热电发电两种应用形式。热电制冷器件具有结构紧凑、无噪声、无磨损、无泄漏等特点,已广泛应用于局部冷却或温度控制;热电发电器件可为无人区信号发射装置、深空探测器、植入式医疗器械等提供电源,更重要的是可以作为一种实现余热能量回收、降低能源消耗的新型发     

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.     

应变增强Nb掺杂SrTiO3薄膜热电性能

高性能热电材料的发展有望帮助解决未来能源危机,且随着可穿戴器件的发展与应用,热电材料和器件除了要具备更高的热-电转化性能以外,还必须具有良好的柔性.将热电材料制成薄膜既可以为微型器件供电,也有潜力应用于柔性器件.本文使用脉冲激光沉积方法,在商用SrTiO₃ (STO)和La_0.3Sr_0.7Al_0.65Ta_0.35O₃ (LSAT)衬底上制备得到了不同厚度的高质量铌掺杂钛酸锶薄膜(Nb:STO),并对薄膜的表面形貌、结构以及热电性能进行表征与测试.结果显示,使用LSAT作为衬底可以对薄膜施加面内压应变,随着薄膜厚度的增大,应变逐渐释放并接近于块体Nb:STO.随着厚度的增大,薄膜的热电性能逐渐提升,在STO衬底上生长的208 nm厚样品的室温功率因子相比于52 nm样品提升了187%.此外, 144 nm厚度的Nb:STO/LSAT薄膜室温塞贝克系数达到了265.95 μV/K,这是由于衬底应变导致薄膜样品的能带变化.本工作表明通过应变工程调控铌掺杂钛酸锶薄...     

Nd2CuO4及其微量Zn掺杂单晶样品的传输性质研究

用助溶剂方法高温烧制了电子型超导体母体材料Nd2CuO4及其微量Zn掺杂的单晶样品,并系统地研究了在15～300K范围内样品的电阻率和热电势行为.两者在25～200K之间的温区都表现相同的物理行为高温区为半导体热激活行为,低温区为二维变程跳跃行为.在206K附近发现了反铁磁转变对热电势行为影响的精细峰和弛豫现象.我们的实验结果表明在180K以上温区载流子的行为不满足传统的能带理论.退火对25K以下的温区的热电势的行为有非常显著的影响,其本征的物理性质还需要深入的研究.     

一种充分利用热能的温差发电燃气灶

现今, 能源危机和环境污染的问题日益严重, 节能环保成为人们关注的话题. 本文介绍的温差发电是一 种绿色环保发电方式, 它可以合理利用太阳能、 地热能、 海洋热能、 工业余热等低品位能源转化为电能. 所提出的方 案主要是通过利用两种不同类型的热电转换材料两端产生温差进而形成电势差的物理原理研发出一种充分利用热 能的温差发电燃气灶, 不仅提高了原燃气灶对燃气的利用率, 而且还能将燃气余热转化为电能     

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。     

亚微米DSOI MOSFET非平衡热电耦合模拟

本文利用电子-光学声子-声学声子散射非平衡能量热电耦合模型数值模拟了DSOI MOSFET,得到了器件静电势、电子浓度和温度分布、声子温度等分布,分析了其热电性质。结果表明在栅极靠漏区是器件热电特性变化最为显著,DSOI器件自热效应很小,具有很好的热电特性,在亚微米器件中的确存在非平衡能量状态。     

快速测量单晶样品低温热电势的新方法

对传统的热电势倒相测量方法进行了改进,发展了一种快速的、针对毫米级样品的准连续的热电势测量方法,在不降低测量精度的情况下大幅度提高了热电势的测量速度.我们用高温超导材料Nd1.84Ce0.16CuO4单晶样品对该法进行了不同变温速率的测试,并与传统的倒相法进行比较,一定变温速率(<30K/hr)下和传统方法数据吻合很好,有很高的测量精度.由于此法为准连续测量法,变温速率可精确设定,所以对有明显热滞效应的材料如电子型超导体母体材料Nd2CuO4等的热电势测量有十分重要的意义.     

电子型超导体Sm2-xCexCuO4(0.00≤x≤0.21)的异常热电势与电阻率

测量了Sm2-xCexCuO4(000≤x≤021)多晶样品的热电势S和电阻率ρ的温度依赖关系.在缘绝体—金属转变边界处,观测到热电势从绝缘体区明显的弱温度依赖关系到金属区线性温度依赖关系的转变.当Ce的含量由009增加到021时,高温下S的斜率发生由负到正的转变,这是能带的填充能级发生改变时电子型和空穴型载流子的贡献发生竞争的表现,由电子型向空穴型的过渡发生在x=017处.S和ρ在200K以下的斜率变化是载流子局域化造成的.x=006—021的样品在50K处观察到一个正的曳引峰.室温下的热电势S300K和S0(高温区热电势线性外推到0K的值)与Ce含量在绝缘体、欠掺杂和过掺杂区域有不同的依赖关系.过掺杂区域很小的S300K和S0意味着一个宽带的费米液体的贡献,同时ρ满足T2关系,二者相一致. 关键词： 电子型超导体 输运性质 热电势