2025年石墨烯热电材料效率考核试卷

2025年石墨烯热电材料效率考核试卷考试时长：120分钟满分：100分一、单选题（总共10题，每题2分，总分20分）1.石墨烯热电材料中，提高热电优值（ZT）的关键因素是（）A.增加电导率B.降低热导率C.提高塞贝克系数D.以上都是2.石墨烯热电材料的塞贝克系数（S）主要受哪种因素影响？（）A.晶体结构B.温度C.杂质浓度D.以上都是3.热电材料中，热导率（κ）主要由哪种机制主导？（）A.电子传导B.振动声子传导C.离子迁移D.以上都是4.石墨烯基热电材料的制备方法中，哪种方法能显著提高其热电性能？（）A.机械剥离法B.化学气相沉积法（CVD）C.溶胶-凝胶法D.溅射法5.热电材料中，提高电声耦合系数（α²S/κ）的主要途径是（）A.调控能带结构B.降低声子散射C.增加载流子浓度D.以上都是6.石墨烯热电材料中，哪种元素掺杂能显著提高其热电性能？（）A.硼（B）B.硅（Si）C.磷（P）D.氮（N）7.热电材料的ZT值计算公式中，κ代表（）A.电导率B.热导率C.塞贝克系数D.热扩散率8.石墨烯热电材料的声子散射机制中，哪种效应最显著？（）A.自由电子-声子散射B.晶格振动-声子散射C.杂质-声子散射D.以上都是9.热电材料中，提高载流子迁移率的主要方法是（）A.减少缺陷B.增加晶粒尺寸C.控制掺杂浓度D.以上都是10.石墨烯热电材料的典型应用领域不包括（）A.热电发电B.热电制冷C.太阳能电池D.热电传感器二、填空题（总共10题，每题2分，总分20分）1.石墨烯热电材料的塞贝克系数（S）通常用______表示。2.热电优值（ZT）的计算公式为______。3.石墨烯热电材料的制备方法中，______法能获得高质量的石墨烯薄膜。4.热电材料中，提高电声耦合系数（α²S/κ）的关键是调控______。5.石墨烯热电材料中，磷（P）掺杂主要提高______性能。6.热电材料的ZT值大于______时，可视为高性能热电材料。7.石墨烯热电材料的声子散射机制中，______效应最显著。8.热电材料中，提高载流子迁移率的主要方法是______。9.石墨烯热电材料的典型应用领域包括______和______。10.热电材料的电声耦合系数（α²S/κ）与______密切相关。三、判断题（总共10题，每题2分，总分20分）1.石墨烯热电材料的ZT值越高，其热电性能越好。（）2.热电材料的塞贝克系数（S）与电导率成正比。（）3.石墨烯热电材料的制备方法中，机械剥离法能获得最薄的单层石墨烯。（）4.热电材料的电声耦合系数（α²S/κ）越高，其热电性能越好。（）5.石墨烯热电材料中，氮（N）掺杂主要提高热导率。（）6.热电材料的ZT值计算公式中，κ代表电导率。（）7.石墨烯热电材料的声子散射机制中，杂质-声子散射效应最显著。（）8.热电材料中，提高载流子迁移率的主要方法是增加掺杂浓度。（）9.石墨烯热电材料的典型应用领域包括热电发电和热电制冷。（）10.热电材料的电声耦合系数（α²S/κ）与温度无关。（）四、简答题（总共3题，每题4分，总分12分）1.简述石墨烯热电材料的制备方法及其优缺点。2.解释热电材料中电声耦合系数（α²S/κ）的重要性。3.列举三种提高石墨烯热电材料热电性能的方法。五、应用题（总共2题，每题9分，总分18分）1.某石墨烯热电材料在300K温度下，测得塞贝克系数为150μV/K，电导率为1.2×10⁴S/cm，热导率为0.15W/(m·K)。计算该材料的ZT值，并判断其是否属于高性能热电材料。2.设计一个实验方案，用于研究磷（P）掺杂对石墨烯热电材料电声耦合系数的影响。请列出实验步骤、所需仪器及预期结果。【标准答案及解析】一、单选题1.D解析：热电优值（ZT）的计算公式为ZT=(α²S/κ)T，其中α²S/κ是电声耦合系数，T是绝对温度。提高ZT值需要同时优化塞贝克系数（S）、电导率（σ）和热导率（κ）。2.D解析：塞贝克系数（S）受晶体结构、温度和杂质浓度等多种因素影响。3.B解析：热电材料的热导率（κ）主要由声子传导主导，电子传导和离子迁移对热导率的贡献较小。4.B解析：化学气相沉积法（CVD）能获得高质量、大面积的石墨烯薄膜，显著提高热电性能。5.D解析：提高电声耦合系数（α²S/κ）需要调控能带结构、降低声子散射和增加载流子浓度等。6.C解析：磷（P）掺杂能显著提高石墨烯热电材料的塞贝克系数（S），从而提高热电性能。7.B解析：ZT值计算公式中的κ代表热导率。8.D解析：石墨烯热电材料的声子散射机制中，自由电子-声子散射、晶格振动-声子散射和杂质-声子散射均存在，但杂质-声子散射效应最显著。9.D解析：提高载流子迁移率的方法包括减少缺陷、增加晶粒尺寸和控制掺杂浓度等。10.C解析：石墨烯热电材料的典型应用领域包括热电发电、热电制冷和热电传感器，但不包括太阳能电池。二、填空题1.塞贝克系数2.ZT=(α²S/κ)T3.化学气相沉积法（CVD）4.能带结构5.塞贝克系数6.27.杂质-声子散射8.减少缺陷9.热电发电、热电制冷10.能带结构三、判断题1.√解析：ZT值越高，热电性能越好。2.×解析：塞贝克系数（S）与电导率（σ）的关系复杂，并非简单的正比关系。3.√解析：机械剥离法能获得最薄的单层石墨烯。4.√解析：电声耦合系数（α²S/κ）越高，热电性能越好。5.×解析：氮（N）掺杂主要提高塞贝克系数（S），而非热导率。6.×解析：ZT值计算公式中的κ代表热导率。7.√解析：杂质-声子散射效应最显著。8.√解析：提高载流子迁移率的方法包括减少缺陷、增加晶粒尺寸和控制掺杂浓度等。9.√解析：石墨烯热电材料的典型应用领域包括热电发电和热电制冷。10.×解析：电声耦合系数（α²S/κ）与温度密切相关。四、简答题1.石墨烯热电材料的制备方法及其优缺点：-机械剥离法：能获得高质量的单层石墨烯，但产量低，成本高。-化学气相沉积法（CVD）：能获得大面积、高质量的石墨烯薄膜，但需要高温和复杂设备。-溶胶-凝胶法：成本低，但石墨烯质量较差。-溅射法：能制备多层石墨烯，但石墨烯质量不稳定。2.电声耦合系数（α²S/κ）的重要性：电声耦合系数是衡量热电材料性能的关键参数，它反映了材料将电能转化为热能的效率。α²S/κ越高，材料的热电性能越好。3.提高石墨烯热电材料热电性能的方法：-掺杂：通过掺杂元素（如磷、氮）调节能带结构，提高塞贝克系数（S）。-减少缺陷：减少晶格缺陷，降低声子散射，提高热导率（κ）。-控制晶粒尺寸：增加晶粒尺寸，减少晶界散射，提高电导率（σ）。五、应用题1.计算ZT值：已知：S=150μV/K=150×10⁻⁶V/K，σ=1.2×10⁴S/cm=1.2×10⁶S/m，κ=0.15W/(m·K)，T=300K。ZT=(α²S/κ)T=(σS²/κ)T=(1.2×10⁶×(150×10⁻⁶)²/0.15)×300=0.54×300=162.判断：ZT值大于2，属于高性能热电材料。2.实验方案设计：-实验步骤：1.制备不同磷（P）掺杂浓度