大学物理阅读材料-第五篇 热电材料
热电材料(全面的)
热电材料thermoelectric material将不同材料的导体连接起来，并通入电流，在不同导体的接触点——结点，将会吸收(或放出)热量.1834年，法国物理学家佩尔捷(J.C.A.Peltier)发现了上述热电效应.1838年，俄国物理学家楞次(L.Lenz)又做出了更具显示度的实验：用金属铋线和锑线构成结点，当电流沿某一方向流过结点时，结点上的水就会凝固成冰；如果反转电流方向，刚刚在结点上凝成的冰又会立即熔化成水.热电效应本身是可逆的.如果把楞次实验中的直流电源换成灯泡，当我们向结点供给热量，灯泡便会亮起来.尽管当时的科学界对佩尔捷和楞次的发现十分重视，但发现并没有很快转化为应用.这是因为，金属的热电转换效率通常很低.直到20世纪50年代，一些具有优良热电转换性能的半导体材料被发现，热电技术(热电制冷和热电发电)的研究才成为一个热门课题.目前，在室温附近使用的半导体制冷材料以碲化铋(Bi2Te3)合金为基础.通过掺杂制成P 型和N型半导体.如前所述，将一个P型柱和一个N型柱用金属板连接起来，便构成了半导体制冷器的一个基本单元，如果在结点处的电流方向是从N型柱流向P型柱，则结点将成为制冷单元的“冷头”(温度为Tc)，而与直流电源连接的两个头将是制冷单元的“热端”(温度为Th). N型半导体的费米能级EF位于禁带的上部，P型的则位于禁带的下部.当二者连接在一起时，它们的费米能级趋于“持平”.于是，当电流从N型流向P型时(也就是空穴从N到P；电子从P到N)，载流子的能量便会升高.因此，结点作为冷头就会从Tc端吸热，产生制冷效果.佩尔捷系数，其中是单位时间内在结点处吸收的热量，I是电流强度，Π的物理意义是，单位电荷在越过结点时的能量差.在热电材料研究中，更容易测量的一个相关参数是泽贝克(Seebeck)系数α,，其中T是温度.显然，α描述单位电荷在越过结点时的熵差.对于制冷应用来说，初看起来，电流越大越好，佩尔捷系数(或泽贝克系数)越大越好.不幸的是，实际非本征半导体的性质决定了二者不可兼得：电流大要求电导率σ高，而σ和α都是载流子浓度的函数.随着载流子浓度的增加，σ呈上升趋势，而α则下跌，结果ασ只可能在一个特定的载流子浓度下达到最大(注：由热激活产生的电子-空穴对本征载流子，对提高热电效益不起作用).半导体制冷单元的P型柱和N型柱，都跨接在Tc和Th之间.这就要求它们具有大的热阻.否则，将会加大Tc和Th间的漏热熵增，从而抵消从Tc端吸热同时向Th端放热的制冷效果.最终决定热电材料性能优劣的是组合参数，其中κ是材料的热导率.参数Z和温度T的乘积ZT无量纲，它在评价材料时更常用.目前，性能最佳的热电材料，其ZT值大约是1.0.为要使热电设备与传统的制冷或发电设备竞争，ZT值应该大于2.Glen Slack把上述要求归纳为“电子-晶体和声子-玻璃”.也就是说，好的热电材料应该具有晶体那样的高电导和玻璃那样的低热导.在长程有序的晶体中，电子以布洛赫波的方式运动.刚性离子实点阵不会使传导电子的运动发生偏转.电阻的产生来源于电子同杂质、晶格缺陷以及热声子的碰撞.因此，在完善的晶体中σ可以很大.半导体中的热导包含两方面的贡献：其一由载流子(假定是电子)的定向运动引起的(κe)；其二是由于声子平衡分布集团的定向运动(κp).根据维德曼-弗兰兹定律，κe∝σ.人们不可能在要求大σ的同时，还要求小的κe.减小热导的潜力在于减小κp，它与晶格的有序程度密切相关：在长程有序的晶体中，热阻只能来源于三声子倒逆(umklapp)过程和缺陷、边界散射；在非晶态玻璃结构中，晶格无序大大限制了声子的平均自由程，从而添加了对声子的散射机制.因此，“声子-玻璃”的热导率κ可以很低.以无量纲优值系数ZT来衡量热电材料：BiSb系列适用于50—150K温区；Bi2Te3系列适用于250—500K；PbTe系列适用于500—800K;SiGe系列适用于1100—1300K.低温热电器件(T≤220K)主要用于冷却计算机芯片和红外探测器.高温热电设备可将太阳能和核能转化成电能，主要用于航天探测器和海上漂浮无人监测站的供电.最近，氟里昂制冷剂的禁用，为半导体制冷的发展提供了新的契机.1998年秋季在美国波士顿召开的材料研究学会(MRS)学术会议上，热电材料研究再一次成为讨论的热点.Brian Sales等研究了一类新型热电材料，叫作填隙方钴矿锑化物(filled skutterudite antimonides).未填隙时，材料的化学式是CoSb3(或Co4Sb12).晶体中每个Co4Sb12结构单元包含一个尺寸较大的笼形孔洞.如果将稀土原子(例如La)填入笼形孔洞，则化学式变为LaCo4Sb12.由于La原子处于相对宽松的空间内，它的振动幅值也较大.于是，在LaCo4Sb12中，Co4Sb12刚性骨架为材料的高电导提供了基础，而稀土La在笼中的振动加强了对声子的散射——减小了材料的热导.B.Sales 的工作朝着“电子-晶体和声子-玻璃”的方向迈出了第一步.高压(～2GPa)技术已经被用于改进热电材料的性能.如果在高压下观察到了母材料性能的改善，人们将可以通过化学掺杂的办法获得类似的结构，并将它用于常压条件下.ZrNiSn的σ和α都很高，但它的热导率κ并不低.或许可以通过加入第4或第5组元，增强对声子的“质量涨落散射”，达到减小热导的目的.准晶的结构复杂多变，具有“声子-玻璃”的性能.有关研究的重点是改善准晶的导电性能.将纳米金属(Ag)嵌入导电聚合物，当电流流过这种复合材料时，可以产生大的温度梯度.对此，还没有理论上的解释.有两种低维热电材料具有应用前景：CsBi4Te6实际上就是填隙的Bi2Te3；硒(Se)掺杂的HfTe5，在T＜220K的温区，其泽贝克系数α远远超出了Bi2Te3.此外，薄膜、人工超晶格、纳米碳管、Bi纳米线和量子阱系统、类猫眼结构等都展现出了在改进热电材料性能方面的潜力.热电效应所谓的热电效应，是当受热物体中的电子(洞)，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，所产生电流或电荷堆积的一种现象。
热电材料原理
热电材料的基本原理1. 热电效应的基本概念热电效应是指在温度差异作用下，导体中出现的电压差和电流的现象。
这种现象可以归因于导体内部自由电子和晶格振动之间的相互作用。
2. Seebeck 效应Seebeck 效应是最早被发现的热电效应之一，也是最重要的热电效应之一。
它描述了当两个不同温度的金属或半导体连接时，产生的热电势差（即温差）与通过连接处的热流强度（即冷热端温差）之间的关系。
具体来说，当两个金属或半导体材料以两个不同温度接触时，两者之间会形成一个温度梯度。
此时，由于不同材料内部自由电子能级分布不同，自由电子会从高能级（冷端）向低能级（热端）移动。
这种移动产生了一个自由电子扩散流，从而引起了一个静电势差。
这就是Seebeck效应。
3. Peltier 效应Peltier 效应与Seebeck效应相反，它描述了当电流通过两个不同温度的金属或半导体连接时，连接处会产生一个温度差。
具体来说，当一个电流通过两个金属或半导体材料接触处时，由于材料内部自由电子能级分布的不同，自由电子在接触处会发生能级调整。
这种调整会吸收或释放热量。
如果电流方向使得自由电子从高能级（冷端）向低能级（热端）移动，则在接触处会释放热量，导致冷端温度升高；反之，则会吸收热量，导致冷端温度降低。
4. Thomson 效应Thomson 效应是指当电流通过一个均匀材料时，在材料中存在的温度梯度引起的热势差现象。
具体来说，在具有温度梯度的材料中，自由电子会受到晶格振动和散射的影响。
这些影响导致了自由电子和晶格之间的摩擦作用，并产生了一个静电势差。
这个势差称为Thomson系数。
根据Thomson效应，当电流通过材料时，在温度梯度的作用下，材料中的电子会吸收或释放热量。
5. 热电材料原理热电材料是能够将热能直接转化为电能（即热电转换）或将电能直接转化为热能（即电热转换）的材料。
它们利用了Seebeck、Peltier和Thomson效应。
热电材料的热电性能
热电材料的热电性能热电材料是一类特殊的材料，具有独特的热电性能。
热电性能是指材料在温度差异下产生电能的能力，包括Seebeck系数、电导率和热导率等参数。
热电材料的热电性能直接影响着热电能量的转换效率，因此在能源领域具有重要的应用价值。
热电材料的热电性能主要取决于电子和热子的输运行为。
首先，Seebeck系数是一个关键参数，它描述了温度梯度下电子能量和电荷的变化关系。
较高的Seebeck系数意味着热电材料对温度差异更敏感，有更强的热电效应。
其次，电导率反映了电子在材料中的运动能力，高电导率能够有效传导电子，提高热电效应。
最后，热导率则描述了热子的传导能力，较低的热导率能够最大程度地维持温度差异，提高热电性能。
有许多方法可以改善热电材料的热电性能。
一种常用的方法是合金化。
通过合金化，可以调节晶格结构和材料的电子结构，从而改变其热电性能。
例如，可以通过合金化来增加Seebeck系数，提高材料的热电效应。
此外，合金化还可以通过改变电子和热子的输运行为，从而优化材料的电导率和热导率。
此外，纳米结构也是提高热电材料热电性能的一种有效方法。
纳米结构具有特殊的物理特性，例如量子尺寸效应和表面效应。
这些效应能够调节电子和热子的输运行为，提高材料的热电性能。
通过控制纳米级结构，可以增加材料的界面散射效应，从而降低热导率，提高热电效应。
除了合金化和纳米结构，有机-无机杂化材料也是改善热电性能的一种新方法。
有机-无机杂化材料具有有机和无机材料的特性，结合了二者的优点。
通过有机分子的引入，可以改变材料的电子结构和晶格结构，从而调节其热电性能。
有机-无机杂化材料具有较高的Seebeck系数和较低的热导率，因此在热电能量转换中具有潜在的应用价值。
尽管已经取得了一些进展，但是目前仍然存在一些挑战。
首先，热电材料的热电性能与其他性能之间存在一定的矛盾。
例如，较高的电导率通常伴随着较高的热导率，这使得提高热电性能成为一个更加复杂的问题。
热电材料的热电性能研究
热电材料的热电性能研究热电材料是一种具备热电效应的特殊材料，能够将热能转化为电能或将电能转化为热能。
这种材料的热电性能研究一直是科学家们关注的热门领域。
它不仅与能源转换相关，还与环境保护、可再生能源发展等诸多领域息息相关。
本文将从热电材料的基本原理开始，探讨热电性能研究的最新进展。
热电效应是指当两个不同温度的接触物体之间有电流通过时，产生一种转换效应，将温度差转化为电能。
这种效应与热电材料的导电性和热导率密切相关。
研究表明，热电材料的热电性能与其晶体结构、掺杂元素、能带结构等有关。
在热电性能研究中，晶体结构是一个非常重要的因素。
晶体的周期性排列使得热电材料在电子散射过程中形成特殊的电子态密度分布，从而产生与其他材料不同的输运特性。
科学家们通过控制晶体的生长方式和添加掺杂元素，改变热电材料的晶体结构，进而调控热电性能。
除了晶体结构，掺杂元素的添加也是研究热电性能的关键。
对于半导体材料而言，掺杂能够增加其导电性能。
例如，将部分锗原子用铯原子替代可以提高半导体的导电性。
此外，通过掺杂稀土元素、过渡金属等掺杂剂，还可以调节热电材料的能带结构，优化其热电特性。
能带结构是决定热电性能的关键因素之一。
热电材料的能带结构决定了其在温度梯度下的电子输运情况。
当材料的能带具有窄带隙和高电子浓度时，可以提高其热电效应。
一些新型材料，如拓扑绝缘体、多铁材料等，通过调控其能带结构，提高了热电材料的整体性能。
在热电性能研究中，材料的热导率也是不可忽视的因素。
热导率是指材料传导热量的能力，对热电效应的表现有直接影响。
当热导率较低时，热电材料更容易产生温度梯度，从而提高热电转换效率。
因此，科学家们致力于研究新型热电材料，降低其热导率，以提高其热电性能。
近年来，随着材料科学和纳米技术的发展，热电材料的研究进入了一个新阶段。
不同领域的科学家们通过合作交流，利用新的热电材料合成和调控技术，取得了一系列重要研究成果。
例如，利用纳米颗粒调控材料能带结构，制备高性能热电材料。
热电材料
热电应用
1. 热电发电 2. 热电制冷
热电材料工作原理示意图
a: 热电发电机， b: 热电制冷机，c: 热电器件组成示意图
热电制冷
热电发电
材料的热电性能通过热电优值 ZT 衡量
热电势
电导率
高性能热电材料：
S 2
ZT
T
功率因子 e l
电子热导率 晶格热导率
高热电势 高电导率 低热导率
电性材料之热电材料
Thermoelectric materials can convert heat to electricity or use electricity to pump heat from cold side to hot side
1. 什么是热电材料
热电材料（也称温差电材料，thermoelectric materials）是 一种利用固体内部载流子运动，实现热能和电能直接相互 转换的功能材料。
提高热电性能的途径
1. 选择最佳的载流子浓度 2. 降低声子热导
①采用重元素掺杂 ②使用含多种原子且结构复杂的合金 ，如 Half-Heusler 类材料 ③引入缺陷，形成固溶体结构热电材料 。 ④低维化（如纳米线） ⑤设计电子晶体-声子玻璃输运特性的材料 ⑥微晶结构 （纳米晶、纳米复合） ⑦采用具有特殊结构的复杂化合物，使一种或多种原子可以在由其它原子 组成的大空隙里面振动，增加声子散射，降低晶格热导率，如 Skutterudite 类化合物 3. 选择最佳工作温度及材料的禁带宽度
July-15-2010
2. 热电材料研究和应用的瓶颈
热电转换效率
提高热电优值ZT的困难在于热电材料自身的Seebeck系 数、电导率和热导率不是相互独立的，而是都取决于材 料的电子结构以及载流子的传输特性。例如，当通过提 高载流子浓度和载流子迁移率来提高电导率时，不仅会 增大载流子对热传导的贡献，造成热导率增大，而且往 往会降低Seebeck系数。正是由于这三个物理量不能同 步调节，热电优值和热电转换效率很难大幅度提高，使 得传统块状热电材料的推广应用面临巨大障碍。
热电材料概述
热电材料早在1823年德国的物理学家Thomas Seebeck就在实验中上发现, 在具有温度梯度的样品两端会出现电压降, 这一效应成为制造热电偶测量温度和将热能直接转换为电能的理论基础, 称为Seebeck 效应.Seebeck提出了用热电材料制成热电发电器的设想. 1834年Heinrich Lens又发现将一滴水置于铋(Bi)和锑(Sb)的接点上, 通以正向电流, 水滴结成冰, 通以反向电流, 冰融化成水, 此效应称为制冷效应或Peltier效应.在此后的100多年, 热电材料的研究主要是围绕金属材料进行的, 由于热电转换效率低, 所以有关热电材料及热电转换装置的研究和应用一直进展缓慢. 在20世纪50年代, Abram Ioffe发现, 半导体材料的热电转换效应比金属材料有数量级上的增强, 利用半导体热电材料有望实现温差发电和制冷的设想, 从而在全世界范围内掀起了研究热电材料的热潮, 这种研究热潮持续了数年之久, 研究和评估了大量的半导体材料, 并发现Bi-Te Sb-Te系半导体材料具有良好的热电特性[1]. 在此后的几十年, 由于半导体热电材料仍难以满足现实应用过程对热电转换和制冷效率的要求, 研究工作又处于低潮阶段.直到90年代初期, 随着全世界环境污染和能源危机的日益严重, 对人类可持续发展广泛的关注, 导致发达国家对新环保能源替代材料开发研究的重视和巨额投入, 利用热电材料制成的制冷和发电系统体积小重量轻; 无任何机械转动部分, 工作中无噪音, 不造成任何环境污染; 使用寿命长, 且易于控制. 由于热电材料的这些特性使其再次成为材料科学的研究热点. 近十年来, 材料科学的新进展, 如材料制备工艺及分析手段的多样化, 计算机模拟在材料科学中的应用, 新型先进材料的不断出现, 使得设计和制备新型高性能高效率的热电材料的可能性逐渐增大. 目前, 围绕着一种称为声子玻璃电子晶体型热电材料(PGEC)的研究正在广泛展开[2]. 这类材料因具有晶体的导电性能和玻璃的导热性能而成为新一代前景广阔的热电材料. 从近年来在热电材料研究方面取得的进展, 美国科学家Terry. M. Tritt乐观地认为在未来几年内热电材料的研究将会有惊人的突破.§5.1热电效应和热电特性当两种不同的导体联接构成闭合回路,且接点两端处于不同温度时, 在接点两端出现电压降, 在回路中产生电流的现象称为塞贝克效应(Seebeck). 这一效应成为实现将热能直接转换为电能的理论基础. 图1 (a)为实现热电转化模式的简单示意图.当电流I通过由两种不同导体联结构成的回路时, 在两接点处吸收和放出热量的现象称为帕尔帖效应(Peltier). 这一效应成为实现新概念型制冷机械的理论基础. 图1(b)为实现制冷模式的简单示意图.图1 热电元件构成的简单发电模式(a)和制冷模式§5.2热电材料的新进展开发研究新热电材料的目标在于努力提高材料的电导率温差电势的同时, 降低热导率. 热电材料的性能取决于性能因子Z, Z通常表示为Z=a2 s/k, 式中a 称为Seebeck系数或温差电势, s为材料的导电率, k为导热率. a s和k参量取决于电子结构和载流子的散射, k=k L+k e, 降低k关键在于降低k L, 即增强晶格点阵对声子的散射从而降低热导率. 从理论上分析, 非晶态具有低的k值. Glem Slack提出一种新的概念材料称为声子玻璃电子晶体phonon glass electron crystal (PGEC), 也就是一种导电如晶体导热如玻璃的材料. Slack认为晶体结构中存在一种结合力弱的rattling 原子, 对载热声子有强的散射作用导致热导率急剧下降, 对导电不会有太大的影响.基于以上的讨论, 适合于做为热电材料的主要有两大类: 半导体材料和混合价化合物. 过去几十年对半导体类热电材料进行了较为系统深入的研究, 其中主要包括FeSi2 SiGe PbSnTe (Cu,Ag)2Se (Bi,Sb)Te3 (Bi,Sb)Se3等系列. 目前正在研究一种称为Skutterrudite结构的材料[5], 其分子式为AB3, 其中A=Co, Ir,Rh; B=P, As, Sb. 这类结构的重要特性是在晶胞单元中有两个较大的空隙, 这类结构材料的Seebeck系数可能达到较大数量级200 mVK-1, 然而, 热导率也会同时增大, 难以获得所希望的ZT值. 研究表明, 在晶格点阵中加入重原子可以显著地降低晶格导热率. 例如, Nolas等人在CoSb3中加入La, 使材料的室温导热率降低几个数量级, Nolas认为部分是由于质量亏损mass-defect 散射声子, 部分是由于键合力较弱的原子在它们的笼状结构cages 中发生rattling 运动. 在温度为700 , ZT值大于1的结果已经在实验中出现.另一类具有低温使用前景的材料是Clathrates型化合物[6]. 例如Ge型Clathrates化合物, 其分子式为A8Ge46, A代表Ge格子中占据空隙的原子. 又如具有Sr8Ga16Ge30分子式结构的Clathrates化合物, 其室温导热率比非晶态Ge低两倍. 类似的低导热性也出现在含Eu的Ge型Clathrates化合物及Sn型Clathrates化合物, 如Cs8Zn4Sn44和Cs8Sn44. 这些Clathrates型化合物具有获得热电应用所需的高Seebeck 系数的潜能, 在700 K下, ZT值接近1.以A2Q Bi2Q3 PbQ(A=碱金属; B=S, Se, Te)为三组元构成的三元系中的某些伪三元相也是具有开发前景的一类新型热电材料[7], 如K2Bi8Se13 K2Bi8S13 Rb2Bi8Se13 Ce2Bi8Se13 CsPb2Bi3Te7. 研究发现,这些化合物均具有相似的结构点阵, 对称性差属于单斜晶系, 晶胞体积大, 空隙中含有rattling 碱金属原子. 由于rattling 碱金属原子对声子的散射, 导致该类化合物导热率很低. 对这类材料的研究正在展开, 研究者认为有望获得较高的ZT值.Hicks和Dresselhaus提出如果用二维结构材料代替三维, ZT值将会得到改善[8]. 载流子在低维量子阱中受到的制约导致能态密度分布的改变, 在费密能一定的条件下, 有利于增加载流子数目提高导电率和ZT值.用分子束外延生长技术可以制备二维晶体. 一维结构可能会有更好的ZT值, 关键的问题是如何将一维晶体应用到实际的器件设备中. Venkatasubramanian 等人的研究证实量子阱能使体系的ZT值超过1[9].Tritt等人综合分析大量的研究结果, 提出理想的热电材料应具有的性能[10]:(1) 接近费密能级的电子带应具有许多远离Brillouin区界的能谷;(2) 原子序数大, 且具有大量的自旋轨道偶;(3) 成分由两种以上的元素组成;(4) 元素间的负电性差很低;(5) 晶胞尺寸大;(6) 能带间隙Eg等于10kBT, T是实际热电工作温度.室温下, 0<Eg<0.3 eV.假如满足条件(1) (4), 材料将具有高的载流子迁移率; 满足条件(2) (3) (5), 材料将有低的热导率; 满足条件(1) (6), 可以获得高的Seebeck系数或温差电势. 另外, 条件(6)也表明, 在温度较低的情况下(T<300K)热电材料应具有较低的能带间隙. 对于高温工作如发电模式下, 应使用高能带间隙的热电材料.§5.3热电材料的未来在生活四周有许多耗费能源所生成、却又被废弃的热能，例如：汽车尾气、工厂锅炉排放的气体等等。
热电材料的热电性质与应用
热电材料的热电性质与应用随着能源危机的愈演愈烈，开发高效利用能源的新技术成为各国关注的重点。
其中热电材料的热电性质和应用成为研究热电材料的热点问题。
热电材料是指能够把热能转换成电能或将电能转换成热能的材料。
根据“热”和“电”之间的转换，热电材料又分为热电发电材料和热电制冷材料。
热电材料的热电性质对热电发电和制冷有很重要的影响，其应用在节能和环保中有着广阔的前景。
本文将对热电材料的热电性质和应用做一些简单的探讨。
一、热电材料的热电性质热电材料的热电性质是指电导率、热导率和热电效应三种物理量之间的关系。
其中电导率和热导率是指物质在电场和热场作用下的传导性质，热电效应则是指物质在温度梯度作用下的电势差效应。
热电材料的稳定性和性能参数对其热电效应有着重要的影响。
对于热电发电材料，其热电系数是评价其性能的重要指标之一。
它是指在温度梯度下，材料内部产生的电场强度与温度梯度之间的比值。
热电系数σ越大，表示热电转换效率越高。
然而，在热电性能的探究研究中，热电系数不是唯一的重要参数。
电导率、热导率、Seebeck系数、缺陷状态、电子和热的散射等因素都互相影响，并共同决定了热电材料的性能。
二、热电材料的应用热电材料有着广泛的应用前景，它们可以应用于热电发电、热电制冷、温度传感器、智能材料等领域。
其中热电发电应用是最为广泛的一类应用，热电发电可以把废热、太阳能或核能转化成电能，它可以应用于汽车、飞机、火箭等传统领域和电力、热水等民用领域。
目前，热电发电技术已经得到了迅速的发展，已经有多种热电发电技术投入应用。
例如基于锗单晶材料的无门槛式热电发电技术、基于硫化铜锌纳米材料的热电发电机能量收集系统等。
这些技术的发展也为环保和绿色能源开发做出了巨大的贡献。
另外，热电制冷技术是一种利用热电材料在温度梯度下工作，通过热电效应实现对低温的制冷。
它具有环境友好、节能低碳等特点，广泛应用于近红外探测器、半导体激光器、生物医学领域等。
热电材料原理探究
热电材料原理探究热电材料是一类具有热电效应的材料，可以将热能转化为电能或者将电能转化为热能。
在现代科技应用中，热电材料被广泛应用于热电发电、温度传感和能量回收等领域。
本文将深入探究热电材料的原理以及其在实际应用中的作用。
一、热电材料的基本原理1. 热电效应热电效应是热电材料的基本特性，指的是在温度梯度存在的情况下，热电材料会产生电压差。
根据热电效应的不同，热电材料可以分为三种类型：塞贝克效应、丘奇效应和安培效应。
其中，塞贝克效应是指在温度梯度下，热电材料中会形成内电场，导致电子在材料内部运动，从而产生热电压差。
2. 键色效应键色效应是热电材料中电子与晶格之间相互作用的结果。
根据键色效应，当热电材料受热时，材料内部的晶格结构会发生变化，从而影响材料中电子的运动。
这种电子与晶格之间的相互作用被称为热电耦合。
3. 能带结构能带结构是影响热电性能的重要因素之一。
热电材料的能带结构决定了材料中电子的能量分布情况。
在一些特定的能带结构下，材料中的电子在受热时会产生能量突变，从而导致热电效应的显著变化。
二、热电材料的应用1. 温度传感热电材料的温度传感应用是其最常见的应用之一。
由于热电材料的热电效应，可以通过测量热电材料的热电压差来间接测量温度差异。
这种温度传感方式具有简单、快速、响应迅速等优点，在工业控制和环境监测等领域得到广泛应用。
2. 热电发电热电发电是利用热电材料的热电效应将热能直接转化为电能的过程。
通过将热电材料置于温度梯度之中，热能会引起热电材料内的电子运动，从而产生电压差。
利用这种电压差，可以通过连接外部电路将热能转化为电能。
热电发电具有无噪音、可靠性高、环境友好等优势，在航天、能源回收等领域具有广泛应用前景。
3. 节能应用热电材料的热电效应可以被应用于节能领域。
通过将热电材料与其他能源转换装置结合使用，可以将废热转化为电能，实现能源的再利用。
热电材料在汽车尾气净化、工业废热回收等方面的应用，可以有效提高能源利用率，减少环境污染。
热电材料的性能原理与应用
热电材料的性能原理与应用热电材料是指可以将热能转化成电能，或者将电能转化成热能的材料。
这种材料既能够实现节约能源的效果，又能够实现环保效益，是一种非常有前途的材料。
本文将从热电材料的性能原理与应用两个方面进行探讨。
一、热电材料的性能原理热电效应是指热能与电能的相互转换过程。
热电材料是一种可热电材料，可以将热能转换为电能，或者将电能转换为热能。
热电材料的性能原理主要可以从以下几个方面来探讨：1、热电材料的热电效应热电效应是热电材料能够实现热能与电能相互转换的基础。
热电效应可以分为Seebeck效应、Peltier效应、Thomson效应三种。
Seebeck效应是指当两种不同材料接触并形成电极后，在温度差异作用下，电极中就会产生电势差。
这种电势差的大小与材料的热电系数有关。
Peltier效应是指当电流通过材料中的两个导体时，从高电位移向低电位，会使一个导体发生吸热，另一个导体发生放热的现象。
Thomson效应是指当电流通过一个均匀导体时，会使导体的中心温度上升，而表面温度下降的现象。
2、热电材料的热电系数热电材料的热电系数用来表征材料在温度变化时所产生的电压变化。
这个系数可以用来计算热电材料的热电效率。
通常情况下，热电材料的热电系数越大，其热电效率也就越高。
因此，热电材料的热电系数是一个非常关键的参数。
3、热电材料的电阻率热电材料的电阻率用来描述材料对电流的阻碍程度。
这个参数对于热电材料的性能有很大的影响。
通常情况下，热电材料的电阻率越小，其性能也就越好。
4、热电材料的热传导率热电材料的热传导率用来描述材料对热能的传导能力。
这个参数对于热电材料的性能也有很大的影响。
通常情况下，热电材料的热传导率越小，其性能也就越好。
二、热电材料的应用领域热电材料的应用领域非常广泛。
可以分为以下几类：1、节能领域热电材料可以将废热转化为电能，实现了废热的回收利用，从而实现了节能效果。
这种技术已经被广泛应用于化工、电力、钢铁等行业。
热电材料在能量收集中的应用研究
热电材料在能量收集中的应用研究第一章：引言随着能源需求的不断增加和环境问题的日益严峻，寻找新型的可再生能源成为了全球科学界的研究热点。
其中，热电材料作为一种直接将热能转换为电能的材料，因其独特的能量转换机制和高效能量转换效率备受关注。
本章将介绍热电材料的基本概念和研究背景。
第二章：热电材料的原理及结构为了深入了解热电材料的应用，首先需要理解热电效应的基本原理。
本章将介绍热电效应的三种基本机制，包括Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应，并详细讨论了影响热电材料性能的因素。
此外，我们还会对热电材料的结构进行细致的解析，包括单晶材料、纳米材料以及复合材料等。
第三章：传统热电材料的应用及改进传统热电材料主要由铋和硒族元素组成，然而其能量转换效率较低，限制了其在实际应用中的发展。
为了提升热电材料的性能，研究人员开始采取多种策略进行改进。
本章将介绍一些常见的改进方法，如合金化、掺杂和纳米结构调控等技术，以及这些技术在传统热电材料中的应用情况。
第四章：新兴热电材料的应用前景除了传统热电材料外，近年来涌现出许多新兴热电材料，这些材料不仅具有更高的能量转换效率，还具备可持续发展和环境友好的特点。
本章将介绍几种新兴热电材料，如半导体纳米线、有机热电材料以及拓扑绝缘体热电材料等，并展望它们在能量收集领域的应用前景。
第五章：热电材料在能量收集中的实际应用在能源紧缺和环境污染日益严重的背景下，热电材料在能量收集中的实际应用日益受到关注。
本章将列举几个热电材料在实际应用中的案例，如热电发电、废热回收和个人可穿戴设备等领域，并分析其优势和面临的挑战。
第六章：热电材料研究的未来展望最后，本章将对热电材料的研究进行未来展望。
我们预测，未来热电材料的研究将进一步关注高效能量转换、长寿命和可持续发展等方面。
同时，随着纳米技术和材料建模的快速发展，将有更多新材料和新结构被发现和应用，推动热电材料在能量收集中的应用。
热电材料的性能研究及应用
热电材料的性能研究及应用第一章热电材料的概述热电材料，即热电效应材料，是指能够将热能直接转化为电能的一类材料。
热电材料广泛应用于能源转化、温度控制、节能降耗等领域，具有重要的应用价值。
热电材料的工作原理是基于热电效应，即在材料中通过热差动力调节的电荷运动（改变温度差的方向和大小），完成热能向电能的转化。
热电材料的性能指标包括热电系数、电导率、电子迁移率、载流子浓度和热导率等。
热电材料的基本分类包括金属热电材料、半导体热电材料、磁性热电材料等，其中半导体热电材料的研究最为广泛。
第二章热电材料的性能研究热电材料的性能研究主要集中在热电系数和热导率方面。
热电系数是衡量热电材料热电转换能力的重要指标，其大小受到电子迁移率、载流子浓度等因素的影响。
提高热电系数是提高热电材料性能的关键。
热导率是热电材料中电子和声子在传输中对热量的耗散能力的度量指标。
较低的热导率有利于提高热电材料的转换效率。
热电材料性能研究的方法主要包括材料合成方法、材料结构调控和表面改性、缺陷控制等。
第三章热电材料在能源转化中的应用热电材料在能源转化中的应用主要包括热电发电、温差发电、太阳能电池等方面。
热电发电是一种直接将热能转化为电能的技术。
热电发电器利用热电材料的热电效应转化热能为电能，其热源可以是各种热源，例如汽车废气、火电厂废热、太阳能等。
热电发电具有体积小、重量轻、使用寿命长等优势。
温差发电技术是一种通过利用两个不同温度之间的热差，将热能转化为电能的技术。
在温差发电材料中添加热电材料可以有效提高转换效率，减少能量浪费，将温差能转化为电能，从而为实现节能减排作出贡献。
太阳能电池利用半导体材料中的光电效应将光能转换为电能。
将热电材料与太阳能电池结合使用，可以减少太阳能电池因温度变化而引发的效率变化，提高光电转换效率。
第四章热电材料在温度控制中的应用热电材料在温度控制领域中的应用主要包括温度传感器和温控器等方面。
利用热电材料特有的热电效应，可以将物体表面的温度转化为电信号。
热电材料的热电效应分析与优化设计
热电材料的热电效应分析与优化设计热电材料是一种特殊的材料，它可以将热能直接转化为电能。
热电效应是指在温差存在的条件下，热电材料会发生电压和电流的产生。
这种效应广泛应用于能源转换、热敏控制等领域，并且具有巨大的潜力。
本文将对热电材料的热电效应进行分析，并探讨其优化设计的方法。
首先，我们来研究热电效应的原理。
热电效应主要包括热电力效应和热电动力效应。
热电力效应是指在温差存在的情况下，热电材料会产生电场，从而引起电荷的分离。
热电动力效应是指在电导体中，电子和晶格之间的耦合作用使得电子在温差作用下发生漂移，产生电流。
这两种效应共同作用，使得热电材料能够将热能转化为电能。
为了实现高效的热电转换，热电材料的关键性能参数是热电系数和电导率。
热电系数是指在温差存在时，热电材料单位温差下产生的电压。
电导率是指在单位长度和单位横截面积下，热电材料导电的能力。
这两个参数的提高可以显著改善热电材料的转换效率。
要实现热电效应的优化设计，首先需要考虑材料的选择和制备方法。
一些传统的热电材料，如铋锑合金和硫化物等，已经在工业上得到广泛应用。
然而，这些材料的热电系数较低，电导率较高，热电转换效率有待提高。
因此，对于合适的热电材料的研发非常重要。
在热电材料的设计和制备过程中，晶体结构的控制是关键。
晶体结构的优化可以通过合金化、掺杂、纳米结构等方法来实现。
例如，通过调节晶体结构的缺陷、溶质和畴界等因素，可以有效增强热电材料的电导率。
另外，利用纳米结构的材料可以大幅度提高热电材料的热电系数。
因此，选择合适的晶体结构并进行优化设计，可以显著提高热电转换效率。
除了晶体结构的优化，还可以改变材料的缺陷和界面，以提高热电材料的性能。
缺陷引入是一种常用的方法，通过控制材料的缺陷类型、浓度和位置，可以显著改变材料的电导率和热电系数。
此外，界面的优化设计也可以增强材料的热电性能。
例如，通过电子的界面态调谐，可以实现电流的优质传递，提高材料的电导率。
热电材料的研究及其应用
热电材料的研究及其应用热电材料是指能够将温度差异转化为电能的材料。
随着能源危机的日益严重和环境污染的不断加剧，热电材料研究逐渐成为了国际上的一个热点领域。
在能源和环保双重压力下，热电材料的研究与开发对于各行各业都具有重要意义，如：超级计算机的制冷，电子元器件的温度调节，航空、汽车等领域的热电转化等。
热电材料的研究历史可以追溯到19世纪中叶，当时美国科学家康德尔（T. Seebeck）研究发现，将两种不同材质的热电偶制成一个闭塞环路，当热电偶的两端温度不同时，就会在环路内建立一定的电势差，这一现象被称作“热电效应”。
此后，研究者陆续发现了优秀的热电材料，如单质和它们的化合物，纳米材料、共价键化合物、复合材料等。
在新材料科技的推动下，热电材料的发展逐步向更高的效率、更高的稳定性和更广泛的应用方向发展。
目前热电材料的发展趋势之一是以复合材料为主导，通过合理搭配不同种类的材料，在性能上实现优异，如纳米材料、半导体和导热材料的组合，可以发挥各自的优势，达到较高的热电转化效率。
相比于纯单质材料，复合材料具有更佳的电导率、更高的载流子浓度、更强的力场效应和界面效应等优势。
另一个热电材料的发展趋势是多元化。
尚仁等的研究表明，硫化铋材料在高温环境下热电转化效率达到了27%左右，这一效率远高于传统PbTe，开辟了一条新的热电材料研究思路，即研究非传统材料的热电性能，如半导体、镁等金属的化合物、大孔的石墨、塑料等非常规材料。
此外，基于多价离子酸化还原与活性掺杂原理的化学方法，如溶胶-凝胶法、水热法等，对于包括高温亚铁血红蛋白稀土复合材料、氧化物和碳化物材料等的热电材料的合成和开发提供了新途径。
虽然热电技术比传统发电技术的效率还较低，但是在节能和环保方面具有无法替代的优势，因此它在可再生能源和深海采矿等领域中发挥着重要作用。
同时，热电材料的实际应用面临着市场需求、材料特性和生产和加工等方面的约束，技术应用必然要取得跨越式的发展才能实现规模化应用。
热电材料
Dr. Jeffrey Snyder a Faculty at
Caltech.
陈立东教授 上海硅酸盐研究所
唐新峰教授 武汉理工大学
赵新兵教授 浙江大学
Ioffe提出半导体 热电理论
Bi2Te3、PbTe SiGe
AgPb18SbTe20 NaCoO2、
Zn4Sb 方钴矿
量子点、
量子线、 超晶格等
低维热电材料
1821 1855 1949
1990 1997
2004
Chen G, et al. International Materials Reviews, 2003, 48(1):1-22.
2.热电器件工作原理
热电发电
Heat Source PN
热电制冷
Active Cooling PN
Heat Sink
பைடு நூலகம்Heat Rejection
I
(a) Power Generation Mode
Seebeck效应
I
(b) Cooling Mode
Peltier效应
Cronin B V. Semiconductors are cool. Nature. 2001, 413: 577~578
相关新 能 源 技 术
目前主要热电材料体系
热电材料的制备方法
1.熔铸法 2.粉末冶金法 3.机械合金化法 4.真空镀膜方法 5.高温高压合成法
机械合金化法
将要合金化的的元素粉末混合后放入高能球磨机中，高能球磨机将高 速转动所产生的机械能传递给元素粉末，通过回转过程中冷态下的挤压和 反复破断，使之成为弥散分布的超微细颗粒子，然后在固态下实现合金， 从而壁面了物质从液相到固相转变过程中成分偏析的现象，并且制成具有 均匀细小组织的材料。均匀的元素分布对应着较高的电导率，细小的晶粒 尺寸对应着较低的热导率，机械化合金法制备的材料将提高材料的热电性 能。
热电材料原理
热电材料原理
热电材料原理是一种能够将热能转化为电能的材料。
它利用的是热电效应，即当两个不同温度的导体连接在一起时，就会产生电压差。
这是由于导体中的电子在温度梯度下以不同的速度运动，从而引起电荷分离。
在热电材料中，通常包含两种不同类型的导体材料，一种是正电子型导体，另一种是负电子型导体。
正电子型导体具有较多的空穴，而负电子型导体则富集了较多的电子。
当两个导体连接在一起时，热能会引起电子从热端移向冷端，同时空穴则会从冷端移向热端。
热电材料的工作原理可以通过帕尔贝电子海平面理论来解释。
根据该理论，电子海平面的位置在热端会上升，在冷端则会下降。
这样，在导体材料中就形成了一个电子能级的差异，从而使电子发生运动，并引起电荷分离。
热电材料在应用中具有重要的意义。
它可以利用废热来产生电能，从而提高能源利用效率。
此外，热电材料还可以用于制备温差发电机、温度传感器等设备，广泛应用于航天航空、汽车工业、能源领域等。
为了提高热电材料的性能，科学家们采取了一系列的改进措施。
例如，通过掺杂、复合等方法，可以改善材料的电子传输性能和热导率，从而提高热电材料的效率。
此外，还可以通过优化材料的结构和形貌，来减小热电材料的电阻和热阻，进一步提高其性能。
总之，热电材料原理的研究和应用具有重要的意义。
科学家们正不断探索新的热电材料，并努力提高其效率，以满足未来能源需求的挑战。
热电材料原理
热电材料原理本文档是一篇关于热电材料原理的文章。
热电材料的基本原理是，它们的温度变化会产生电压，因此可以用来传送能量和信号。
热电材料可用于许多应用，包括调节温度和测量温度变化。
本文将介绍热电材料的基本原理和应用，以及热电材料的基本性能。
热电材料可用于转换温度变化成电势。
一般情况下，当温度变化时，热电材料的电位也会变化。
热电材料的电位变化一般伴随着温度变化的不可逆性，即一种温度变化对应着唯一的电位变化。
为了传递能量和信号，这种电势和温度的关系可以用来反映温度变化。
根据热电材料的电势和温度之间的关系，当温度变化时，将会产生电压，这种电压可以用来传递能量和信号。
热电材料可以用于多种应用，比如调节温度、测量温度变化和传递能量和信号等。
热电材料可以用来调节温度，通过控制电源的开关，从而控制热电材料的加热或冷却，从而控制设备的温度。
热电材料也可以用来测量温度变化，当温度变化时，由热电材料产生的电压变化又可以传递回电源，从而实现测量温度变化的功能。
此外，热电材料也可以用来传递能量和信号，可以用来传递电能和数字信号，使用热电材料可以有效地传递能量和信号。
热电材料具有许多基本性能。
它们的高通量能力意味着它们可以吸收大量的热量，可以长时间传递能量和信号。
热电材料的热稳定性和热稳定性指标也相对较高，因此能够稳定的传递能量。
此外，热电材料还具有较高的电阻，能够有效抵抗放电过程，这也是热电材料非常稳定传递电能和数字信号的原因之一。
总之，热电材料是一种具有许多不同应用的材料，它可以将温度变化转化为电势，从而用来传递能量和信号。
热电材料的高热稳定性和较高的电阻有助于传递稳定的能量和信号。
热电材料原理
热电材料原理
热电材料是一种能够将热能转化为电能的材料，利用热电效应实现能量转换。
热电效应是指在两种不同材料的接触处，当温度差异存在时，会产生电压差，从而产生电流。
这种效应是由于材料内部的电子在温度差下的迁移而产生的。
热电材料原理的基础是热电效应的存在。
根据热电效应的不同表现形式，热电材料可以分为两种类型：P型和N型。
P型材料中，电子是主要载流子，而N型材料中，空穴是主要载流子。
通过将P型和N型材料组合在一起，就可以形成热电偶，实现热能转化为电能。
热电材料的工作原理是基于热电效应的，当热电材料处于温度梯度之中时，P型和N型材料之间会产生电压差，从而形成电流。
这种电流可以被用来驱动外部电路，实现能量的转换和利用。
热电材料的性能取决于材料的热电系数、电阻率和导热系数等因素。
热电材料的应用领域非常广泛，主要包括能源领域、航空航天领域和医疗领域等。
在能源领域，热电材料可以用来制造热电发电机，将废热转化为电能，提高能源利用效率。
在航空航天领域，热电材料可以用来制造太阳能电池板，为宇航员提供电力。
在医疗领域，热电材料可以用来制造体温监测器和医疗设备，实现无线传输和远程监控。
热电材料的研究和应用对于提高能源利用效率、推动科技创新和改
善生活质量具有重要意义。
随着科学技术的不断发展，热电材料的性能和应用领域将会得到进一步拓展，为人类社会的可持续发展做出贡献。
热电材料与热电效应
热电材料与热电效应在现代科学和工程领域中，热电材料与热电效应的研究一直备受关注。
热电材料是一种具有特殊性质的材料，它可以将热能直接转化为电能，或反之，将电能转化为热能。
这种材料的研究对于能源利用、节能减排以及环境保护具有重要意义。
热电效应最早的研究可以追溯到1821年，法国物理学家塞費尼（Seebeck）首次发现了热电效应。
他发现当两个不同材料的接触点形成一个闭合电路时，若两个接触点之间存在温度差异，则会在电路中产生电流。
这个现象被称为塞費尼效应。
热电效应有三种主要类型：塞費尼效应、皮尔贝克效应和托姆孙效应。
塞費尼效应是最早被发现的，它描述了在温度梯度下电荷的运动产生的电势差。
而皮尔贝克效应则是指当磁场和温度梯度同时存在时，会产生电势差。
托姆孙效应是指当温度梯度和应力梯度同时存在时会发生的电势差。
热电材料的研究和应用主要集中在两个方面：能源转换和温控调节。
在能源转换方面，热电材料可以将废热转化为电能，从而实现能量的有效利用。
这对于工业生产和能源开发具有重要的意义。
而在温控调节方面，热电材料可以用于制备温度传感器和温差发电装置。
这在环境监测和自动化控制领域中具有广泛的应用。
热电材料的性能指标主要包括热电系数、电导率和热导率。
热电系数是指热电材料在温度梯度下产生的电势差与温度差之比。
一般情况下，热电系数越大，热电材料的性能越好。
电导率是指热电材料中电子或热子的传导性能。
电导率越高，热电材料的导电性能越好。
而热导率是指热电材料中热量的传导性能。
热导率越低，热电材料的热障效应越好，有利于热电效应的发挥。
为了提高热电材料的性能，研究人员提出了许多方法和技术。
例如，合金化技术是一种常用的方法，通过改变热电材料的成分，可以改变其晶格结构和电子能带结构，从而提高材料的热电性能。
此外，纳米结构材料也是一个研究热点，通过控制材料的尺寸和形貌，可以改变材料的能带结构和界面效应，从而实现热电性能的调控。
除了基础研究外，热电材料的应用也越来越广泛。
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第五篇热电材料早在1823年德国的物理学家Thomas Seebeck就在实验中上发现, 在具有温度梯度的样品两端会出现电压降, 这一效应成为制造热电偶测量温度和将热能直接转换为电能的理论基础, 称为Seebeck 效应.Seebeck提出了用热电材料制成热电发电器的设想. 1834年Heinrich Lens又发现将一滴水置于铋(Bi)和锑(Sb)的接点上, 通以正向电流, 水滴结成冰, 通以反向电流, 冰融化成水, 此效应称为制冷效应或Peltier效应.在此后的100多年, 热电材料的研究主要是围绕金属材料进行的, 由于热电转换效率低, 所以有关热电材料及热电转换装置的研究和应用一直进展缓慢. 在20世纪50年代, Abram Ioffe发现, 半导体材料的热电转换效应比金属材料有数量级上的增强, 利用半导体热电材料有望实现温差发电和制冷的设想, 从而在全世界范围内掀起了研究热电材料的热潮, 这种研究热潮持续了数年之久, 研究和评估了大量的半导体材料, 并发现Bi-Te Sb-Te系半导体材料具有良好的热电特性[1]. 在此后的几十年, 由于半导体热电材料仍难以满足现实应用过程对热电转换和制冷效率的要求, 研究工作又处于低潮阶段.直到90年代初期, 随着全世界环境污染和能源危机的日益严重, 对人类可持续发展广泛的关注, 导致发达国家对新环保能源替代材料开发研究的重视和巨额投入, 利用热电材料制成的制冷和发电系统体积小重量轻; 无任何机械转动部分, 工作中无噪音, 不造成任何环境污染; 使用寿命长, 且易于控制. 由于热电材料的这些特性使其再次成为材料科学的研究热点. 近十年来, 材料科学的新进展, 如材料制备工艺及分析手段的多样化, 计算机模拟在材料科学中的应用, 新型先进材料的不断出现, 使得设计和制备新型高性能高效率的热电材料的可能性逐渐增大. 目前, 围绕着一种称为声子玻璃电子晶体型热电材料(PGEC)的研究正在广泛展开[2]. 这类材料因具有晶体的导电性能和玻璃的导热性能而成为新一代前景广阔的热电材料. 从近年来在热电材料研究方面取得的进展, 美国科学家Terry. M. Tritt乐观地认为在未来几年内热电材料的研究将会有惊人的突破.§5.1热电效应和热电特性当两种不同的导体联接构成闭合回路,且接点两端处于不同温度时, 在接点两端出现电压降, 在回路中产生电流的现象称为塞贝克效应(Seebeck). 这一效应成为实现将热能直接转换为电能的理论基础. 图1 (a)为实现热电转化模式的简单示意图.当电流I通过由两种不同导体联结构成的回路时, 在两接点处吸收和放出热量的现象称为帕尔帖效应(Peltier). 这一效应成为实现新概念型制冷机械的理论基础. 图1(b)为实现制冷模式的简单示意图.图1 热电元件构成的简单发电模式(a)和制冷模式§5.2热电材料的新进展开发研究新热电材料的目标在于努力提高材料的电导率温差电势的同时, 降低热导率. 热电材料的性能取决于性能因子Z, Z通常表示为Z=a2 s/k, 式中a 称为Seebeck系数或温差电势, s为材料的导电率, k为导热率. a s和k参量取决于电子结构和载流子的散射, k=k L+k e, 降低k关键在于降低k L, 即增强晶格点阵对声子的散射从而降低热导率. 从理论上分析, 非晶态具有低的k值. Glem Slack提出一种新的概念材料称为声子玻璃电子晶体phonon glass electron crystal (PGEC), 也就是一种导电如晶体导热如玻璃的材料. Slack认为晶体结构中存在一种结合力弱的rattling 原子, 对载热声子有强的散射作用导致热导率急剧下降, 对导电不会有太大的影响.基于以上的讨论, 适合于做为热电材料的主要有两大类: 半导体材料和混合价化合物. 过去几十年对半导体类热电材料进行了较为系统深入的研究, 其中主要包括FeSi2 SiGe PbSnTe (Cu,Ag)2Se (Bi,Sb)Te3 (Bi,Sb)Se3等系列. 目前正在研究一种称为Skutterrudite结构的材料[5], 其分子式为AB3, 其中A=Co, Ir,Rh; B=P, As, Sb. 这类结构的重要特性是在晶胞单元中有两个较大的空隙, 这类结构材料的Seebeck系数可能达到较大数量级200 mVK-1, 然而, 热导率也会同时增大, 难以获得所希望的ZT值. 研究表明, 在晶格点阵中加入重原子可以显著地降低晶格导热率. 例如, Nolas等人在CoSb3中加入La, 使材料的室温导热率降低几个数量级, Nolas认为部分是由于质量亏损mass-defect 散射声子, 部分是由于键合力较弱的原子在它们的笼状结构cages 中发生rattling 运动. 在温度为700 , ZT值大于1的结果已经在实验中出现.另一类具有低温使用前景的材料是Clathrates型化合物[6]. 例如Ge型Clathrates化合物, 其分子式为A8Ge46, A代表Ge格子中占据空隙的原子. 又如具有Sr8Ga16Ge30分子式结构的Clathrates化合物, 其室温导热率比非晶态Ge低两倍. 类似的低导热性也出现在含Eu的Ge型Clathrates化合物及Sn型Clathrates化合物, 如Cs8Zn4Sn44和Cs8Sn44. 这些Clathrates型化合物具有获得热电应用所需的高Seebeck 系数的潜能, 在700 K下, ZT值接近1.以A2Q Bi2Q3 PbQ(A=碱金属; B=S, Se, Te)为三组元构成的三元系中的某些伪三元相也是具有开发前景的一类新型热电材料[7], 如K2Bi8Se13 K2Bi8S13 Rb2Bi8Se13 Ce2Bi8Se13 CsPb2Bi3Te7. 研究发现,这些化合物均具有相似的结构点阵, 对称性差属于单斜晶系, 晶胞体积大, 空隙中含有rattling 碱金属原子. 由于rattling 碱金属原子对声子的散射, 导致该类化合物导热率很低. 对这类材料的研究正在展开, 研究者认为有望获得较高的ZT值.Hicks和Dresselhaus提出如果用二维结构材料代替三维, ZT值将会得到改善[8]. 载流子在低维量子阱中受到的制约导致能态密度分布的改变, 在费密能一定的条件下, 有利于增加载流子数目提高导电率和ZT值.用分子束外延生长技术可以制备二维晶体. 一维结构可能会有更好的ZT值, 关键的问题是如何将一维晶体应用到实际的器件设备中. Venkatasubramanian 等人的研究证实量子阱能使体系的ZT值超过1[9].Tritt等人综合分析大量的研究结果, 提出理想的热电材料应具有的性能[10]:(1) 接近费密能级的电子带应具有许多远离Brillouin区界的能谷;(2) 原子序数大, 且具有大量的自旋轨道偶;(3) 成分由两种以上的元素组成;(4) 元素间的负电性差很低;(5) 晶胞尺寸大;(6) 能带间隙Eg等于10kBT, T是实际热电工作温度.室温下, 0<Eg<0.3 eV.假如满足条件(1) (4), 材料将具有高的载流子迁移率; 满足条件(2) (3) (5), 材料将有低的热导率; 满足条件(1) (6), 可以获得高的Seebeck系数或温差电势. 另外, 条件(6)也表明, 在温度较低的情况下(T<300K)热电材料应具有较低的能带间隙. 对于高温工作如发电模式下, 应使用高能带间隙的热电材料.§5.3热电材料的未来在生活四周有许多耗费能源所生成、却又被废弃的热能，例如：汽车尾气、工厂锅炉排放的气体等等。
如果能将这些热能善加利用，即可成为再次使用的能源，而热电材料与技术，就是利用温差来发电的关键。
电能是最广泛使用的最为便利的能源形式。
但是如今发电的主要形式还是化石能源，这些能源的使用在给我们带来了便利的同时，也带来了一个全球关注的环境问题。
环境问题是新世纪人类面临的最严峻的挑战之一。
现代制冷技术无疑给人们生活带来了很多便利，试想，如果现在没有了冰箱和空调，我们的生活将有多大的不便。
但是，从上个世纪八十年代以来，人们逐渐认识到氟里昂制冷剂所带来的环境问题，国际上普遍限制其的使用。
使用热电材料制冷就是一种很环保的方法。
热电材料的应用不需要使用传动部件，工作时无噪音、无排弃物，和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠，使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环保材料。
现在市面上有一种移动型冰箱，适用于旅行郊游时冰冻饮料及食品保存等。
这种冰箱的特色除了方便携带外，它并不使用压缩机，没有噪音，天气冷时还可摇身一变成为保温器。
隐身在这种冰箱后的核心技术，就是里面的热电材料。
热电材料的应用很神奇，它通入电流之后会产生冷热两端，故可以用来冷却也可以用来保温。
而如果同时在两端接触不同温度时，则会在内部回路形成电流，温差越大产生的电流越强，这就启发了一种新思维：用热电材料接收外界热源来产生电力。
这种概念并不是空中楼阁，目前日本和德国都已开发出利用人体体温与外界环境温度差异，进而产生电力来驱动手表。
近年来由于在技术上热电材料性能的不断提升，及环保等因素，利用热电转换技术，进一步将大量废热回收转为电能的方式，普遍得到日、美、欧等先进国家的重视。
低温余热、特别是140℃以下的废热再利用，增加了热电发电的竞争力，一些新兴应用研究诸如垃圾焚烧余热、炼钢广的余热、利用汽车以及发动机尾气的余热进行热电发电，为汽车提供辅助电源的研究也正在进行，并且有部分成果已实际应用，相信在不久的将来会广泛使用。
美国全球热电材料公司是全球最大的热电发电器供应商，他们开发过以天然气或丙烷为燃料之发电设备，并依产品尺寸可发出15-550W的电力，做为小型发电机及偏远地区电源使用。
此外美国国防部，还在喷射推进实验室从事多段功能热电材料研发。
在日本，新能源产业技术总合开发机构（NEDO）投入巨额资金研发各种高效热电材料做为各式排放热能发电利用。
另外，日本业界如久保田公司开发一种热电转换装置，能把300℃以下低废热转换为电能，是把垃圾燃烧时产生的废热通过热交换，将其做为高温部分，把工厂管道的冷却水做为低温部分，利用两者温差经热电转换装置即可进行发电，当温差为260℃时，发电功率可达640W。
在车辆排气发电方面，尼桑公司研发最为积极，预计利用占总废热30％之排气热能提供发动机辅助电源，每台车约能有 2OOW的电力回充电瓶，可减少5％之燃油支出。
在瑞典，其北部利用烧柴取暖炉所产生的热量，可用以发电并替代昂贵的汽油马达发电机。