热电材料的研究及其应用.ppt

热电材料的研究和应用摘要热电材料是直接将热能和电能相互转换的功能材料。p型高锰硅(SiMnx，x=1.73-1.75)基热电材料和n型Mg2Si基硅基热电材料有望成为中温(300-500)环境友好型热电材料。本课题选择本实验自制的两种高性能硅锰硅和Mg2Si热电材料作为开发热电发电器件模块的衬底，系统研究了硅热电材料、电极材料和绝缘材料之间的界面状态和焊接方式对转换效率的影响，为制备高性能硅热电发电器件提供了研究基础和依据。一、背景和研究意义。首先，能源问题促进了热电材料的研究(能源短缺)。1.研究背景和意义。2.由热电材料制成的装置可以很好地利用废弃能量，并提高能量利用率，因为能量利用率太低(还有很大的改进空间)。热电材料的介绍热电材料被定义为热电材料(也称为热电材料)，是利用固体中载流子的运动来实现热能和电能的直接相互转换的功能材料。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，包括塞贝克效应、珀耳帖效应和汤姆逊效应。1823年，德国的塞贝克首先发现，当两个不同的导体形成一个闭合回路时，如果两个触点的温度不同，在两个触点之间就会产生电动势，并且电流通过回路，即热电现象或塞贝克效应。其中，S是塞贝克系数，其大小和符号取决于两种材料的特性和两个节点的温度。原则上，当载流子是电子时，冷端是负的，而S是负的。如果孔是主要载体类型，那么热端是负的，而S是正的。1834年，法国钟表匠普利埃发现了塞贝克效应的逆效应，即当电流通过由两种不同导体形成的结时，热量在结处释放或吸收，这被称为珀耳帖效应。热电材料的介绍热电材料性能的表征可以用无量纲最优值ZT s:塞贝克系数:热导率k:电导率2:功率因数p热电材料的介绍增大，增大，减小，ke:电子热导率，kl:晶格热导率，半导体中的kekl，形成固体熔体结构，通过晶格缺陷提高声子散射概率，将杂质原子填充到热电材料晶体结构中的孔隙位置， 通过细化晶粒和增加晶界散射来降低热导率，降低维数，通过使用纳米量子点来增加热传导声子散射，以及改善热电性能。 Slack提出了电子晶体声子玻璃假说，并计算了热电优值的上限为ZT4。其次，介绍了热电材料的研究分类。正在研究的热电材料：合金系统1。低温区(300 400)材料：bi2te3、sb2te3、hgte等。和它们的固溶体；2.中温区( 700)的材料：pbte、mg2si、SbTe、Bi(SiSb2)、TAGS(Te-Al-Ge-Ag)等。3.高温区( 700)材料：crsi2、cosb3等。氧化物体系，优点，热电材料制成的热电装置，热电装置的物理图，热电装置的模型，3，热电材料的应用，发电，制冷，塞贝克效应，珀耳帖效应，应用实例，3，热电材料的应用，4，热电材料的研究现状和发展，塞贝克现象主要是金属，Ioffe提出了半导体热电理论Bi2Te3，PbTeSiGe，AgPb 18 Sbte 20 NaCo2，Zn4Sb skutterudite，量子点，量子线，超晶格等纳米复合低维热电材料，(年正是因为这三个物理量不能同步调节，所以很难大幅度提高热电优值和热电转换效率，这使得传统块状热电材料的推广应用面临很大障碍。近年来，如何降低热电材料的晶格热导率和降低其维数成为研究的热点。晶格热导率的降低是唯一不由电子结构决定的参数(a)低温(40K)下激发态的声子数少，波长长，声子散射弱(b)高温(德拜温度以上)下的比热Cv接近材料熔点3RTm的理想值；:密度；:格涅森常数:原子热振动振幅；答：原子的平均重量越低，所选材料的熔点越低，晶格热导率越小。原子的平均质量越重，晶格热导率越小。密度越小，即原子之间的距离越大，晶格热导率越小，增加声子散射合金化-引入点缺陷(原子质量波动)-如固溶体等。-散射短波长声子晶界散射-引入大量晶界-例如球磨、纳米结构、超晶格-散射长波长声子纳米尺度非均匀材料-成分波动、界面应力等。-散射中波长声子增加晶格周期-复杂结构，声子的平均自由程缩短-声子玻璃电子晶体散射短波长声子-声子衰减效应-散射短波长声子。第四，热电材料的研究现状和发展，热电材料的低维数，首先，热电材料的低维数增加了费米能级附近的态密度，导致载流子有效质量的相应增加，从而增加塞贝克系数。其次，由于声子的量子限制效应和多层界面声子散射的增加，低维热电材料的热导率降低。最后，由于量子限制和调制掺杂的影响，低维热电材料中载流子的迁移率提高，从而提高热电最优值。第四，热电材料的研究现状和发展，理论预测，第四，热电材料的研究现状和发展，二维超晶格Hicks和Dresselhaus首次从理论上预测了超晶格量子阱结构对热电性能的影响。根据他们的计算，当Bi2Te3合金制备成超晶格量子阱结构时，热功率可以大大提高，预测的热功率优化值高达6.9。通过纳米复合技术制备纳米复合材料，如低热导率材料和电性能良好材料的纳米复合，是提高热电材料热电优越价值的新途径。最近，Dresselhause等人从理论和实验上证明了纳米复合材料技术可以改善热电性能。一维纳米结构由于量子线比量子阱进一步提高了费米能级附近的态密度，所以纳米线可能比超晶格薄膜具有更优异的热电性能。希克斯和德雷斯豪斯预测了Bi2Te3纳米线的热电价值。当纳米线横截面的边长为0.5纳米时，计算的热电优值高达14。4。热电材料的研究现状与发展，二维超晶格，自然413 (2001) 597，北京大学学报。CHEM。足球。129 (2007) 6702，APPL. PHYS. LET .83 (2003) 3186。4。热电材料、纳米复合材料、Sb2Te3纳米晶科学320(2008)634的研究现状与发展。Sb2Te3纳米晶体科学320(2008)634。Sb2Te3纳米晶nanoletter.8 (2008) 2