功能材料—碲化铋(课堂PPT)

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多层量子阱结构
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量子效应对低维材料热 电优值的影响(节选)
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Bi2Te3热电薄膜的制备(磁控溅射
方法)
沉积相薄比膜其使它用热的电基薄片膜的主制要备有方普法通,载采玻用片磁、控冷溅抛射石方英玻 璃片法和制云备母Bi片2T。e3薄膜和(Bi2Te3/PbTe)n多层膜以及
(PbTe)np/Bi2Te3纳米复合薄膜具有以下优点: (1)膜的沉积温度低、沉积速率较快 (2)制备的薄膜的成分与靶材成分一致性好 (3)适于制备多层结构薄膜 (4)多层膜子层厚度调节范围大,厚度控制精确 (5)材料选择范围广 (6)有利于实现PbTe纳米颗粒的制备与 (PbTe)np/Bi2Te3纳米复合薄膜成型 一体化要求 (7)易于实现工业化生产
功能材料—碲化铋 Bi2Te3
组员:杨志翔,汪可,陈俊
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在一般状况下有两种同素异形体,一种是 晶体的碲,具有金属光泽,银白色,性脆,
是与锑相似的;另一种是无定形粉末状, 呈暗灰色。密度中等(6.240 g/cm3), 熔、沸点较低(449.6 ℃、989.9 ℃)。

碲在空气中燃烧带有蓝色火焰,生成二氧 化碲;可与卤素反应,但不与硫、硒反应。 溶于硫酸、硝酸、氢氧化钾和氰化钾溶液。
在50年代至60年代的热电材料研究热潮期间, 对所有当时已知的半导体,半金属和许多合金 的热电性能都进行了研究,发现室温下最好的 热电材料是Bi2Te3及其固溶体合金,它的无量 纲ZT值(T为绝对温度)约为1,用其制成的制 冷器件的效率大约只有家用氟利昂压缩机制冷 效率的三分之一,这使得热电材料的研究转入 低潮有三十多年。
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4、 热惯性非常小,制冷制热时间很快,在热端 散热良好冷端空载的情况下,通电不到一分钟, 制冷片就能达到最大温差。
5、 半导体制冷片的反向使用就是温差发电 6、 半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小, 但用并联的方法组合成电堆,功率就可以做的很 大
7、 半导体制冷片的温差范围,从正温90℃到负 温度130℃都可以实现。
合 熔点元素易挥发,不仅导致材料的利用率下降,
成 优
且使材料的热电优值降低。
机械合金化能有效消除液相到固相转变时的成分 偏析,避免Bi、Te等低熔点元素的挥发,最终得
化 到均匀细小的组织。均匀的合金元素分布对应着
较高的电导率,而细小的晶粒尺寸由于增加了长
波声子的散射,降低了材料的热导率,最终提高
了材料的热电优值。
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关于碲化铋的最新发现
《在科20学09年》6:月碲11日化《铋科学可快大讯大》提网高络版计上算,机美芯国物片理学 的家运陈行榆林速、度沈志勋等发表了对碲化铋电子特性的测试 报告硅。谷在不久的未来也许就要更名了,美 国测可科试使学结电果子家表在已明其证,表实该面材自,料由碲具流化有动铋拓,扑可同绝时大缘不大体损提的耗高明任显何计特能算征量,。 机芯片的运行速度和工作效率。使用现有 •普 半据林导美斯国体顿物技大理学术学扎家,西组此德织·哈种网桑2材0领10料年导1的即1月研可3究日允小(组北许发京电现时子了间一)在种报室具道有, “ 温双条重件性下格”无新能型耗晶体地材在料其:在表极面低运温度动下,,这晶体将内给部表 现 芯与片普的通运超导行体速类度似,带能来以飞零电跃阻,导甚电;至同可时能,它会的成表面 是 然 为仍·物以有理自电学旋阻》的杂电金志子属上学,。能为传基输础电流的。下相一关成代果全发新表在计《算自 机技术的基石。
能量在两材料的交界面处 流,单位为A。 以热的形式吸收或放出。 T——结点处的温度 8
优点
1、 不需要任何制冷剂,没有污染源没有旋转部件, 工作时没有震动、噪音、寿命长,安装容易。
2、 既能制冷,又能加热,制冷效率一般不高, 但制热效率很高,永远大于1。 3、通过输入电流的控制,可实现高精度的温度控 制
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Bi2Te3基热电材料优化方法
成型是将热电材料制备成热电模块的工序,以
往热电材料的成型基本上都是利用粉末冶金的
方法,冷压后烧结成型,但是材料的热电性能
始终得不到根本的提高。
成 为了提高材料的热电性能和力学性能,最近几 型 年研究者尝试了许多新的成型工艺试图提高材

料的热电性能和机械性能并取得了较好的效果, 如热压成型、热挤压成型、脉冲电流烧结等。
• 这几个性质的要 求可由“热电优 值”(Figure of merit)描述,
其定义为: Z=α2σκ,(α和σ 分别为塞贝克系 数和电导率,κ为 热导率)
1949年,苏联的Ioffe院士提出了半导体温差电 的理论,同时在实际应用方面做了很多工作, 到了50年代末期,Ioffe及其同事从理论和实验 上证明利用两种以上的半导体形成固溶体,可 使κσ减小,并发现了热电性能较高的制冷和发 电材料,如Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶体合金, 展示了通过新材料的研究开发实现热电性能提 高的前景。
这就是热电制冷的依据。
差电制冷,或半导
体制冷,它是利用
塞贝克(Seeback)效应(第一 热电效应)
帕尔帖效应(第二热电效应)
热电效应(即帕米 尔效应)的一种制 冷方法。
汤姆逊效应(第三热电效应)
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塞贝克(Seeback)效应(第一热电效 应)
塞贝克(Seeback)效应,它是指由于两种不同电导体 或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热 电现象。
各向异性的,研究初期,为了提高材料的热电性
能,研究者主要采用区域熔炼、布里奇曼等方法

来制备具有一致取向的单晶材料。 V.S.Zemskov等采用czochralski法制备了Bi-Te单
构 晶材料,采用不同的Sb成分掺杂,材料的最大ZT
优 为1.35。

近些年有关Bi2Te3基块体热电材料结构优化主要 集中在纳米结构,非晶结构以及在材料中引入新

• 导电导热性差;
wenku.baidu.com
• 由液态到固态时体积增大。铋在 红热时与空气作用;铋可直接与
硫、卤素化合;不溶于非氧化性
酸,溶于硝酸、热浓硫酸。铋可
制低熔点合金,用于自动关闭器
或活字合金中;碳酸氧铋和硝酸
自然态的铋
氧铋用作药物;氧化铋用于玻璃、 陶瓷工业中。
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当碲和铋相化合时

性脆,导电和导 热性都较差的银 白色金属

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热电薄膜热电薄膜材料的研究
热电薄膜材料的维数比块体体材料的低,一方面维数的降 低会形成界面散射效应降低材料的热导率,增大材料的ZT 值;当薄膜厚度在纳米量级时还能产生量子禁闭效应提高 材料的功率因子。另一方面,低维热电材料具有高的响应 速度(其响应速度是块体材料的23000倍)、高的冷却和加 热性能、高能量密度和小型静态局域化的能力。
材料的热电优 值及其优化
材料的热电优化 值Z:
其中:
K——综合热导 率
R——电阻
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Bi2Te3基热电材料优化方法
成 分 优 化
Bi2Te3的热电性能依赖于其化学组成,不同的掺杂成分会改变材料的
导电类型、载流子浓度和迁移率。
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Bi2Te3基热电材料优化方法
Bi2Te3化合物为六面体层状结构,其热电性能是
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目前对碲化铋基热电材料的研究
《纳米碲化铋化合物的溶剂热合成与热电性能》 褚 颖,王富强,王 忠,魏少红,蒋利军 (北京有色金属研究总院能源所 2010.4.17)
《碲化铋基热电薄膜制备及其热电性能研究》 穆武第
(国防科学技术大学 材料科学与工程 2009.3.30)
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热电材料研究的目的就是寻找具有高ZT 值的热电材料和通过人工调制的方式进 一步提高材料的ZT值。提高ZT值本质上 就是提高α和σ的值而降低κ的值。
元素并使之与Bi2Te3材料形成一种插层化合物,
增加声子的散射,降低材料的热导率。
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Bi2Te3基热电材料优化方法
Bi2Te3基块体热电材料的合成工艺主要集中在熔
铸和机械合金化法。传统的熔铸方法制备Bi2Te3
基块体热电材料时,液相到固相的转变过程中常
常会出现成分偏析,加上熔融状态的Bi、Te等低
主要用来添加到钢材中以增加延性,电镀
液中的光亮剂、石油裂化的催化剂、玻璃
着色材料,以及添加到铅中增加它的强度

和耐蚀性。
它是一种非金属元素,可它却有十分良好 的传热和导电本领。碲和它的化合物是一 种半导体材料。
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铋为有银白色光泽的金属,质脆易粉碎;熔 点271.3°C,沸点1560°C,密度9.8克/厘米 3;
热电
制冷器
半导体制冷片 (TE)也叫 热电制冷片, 是一种热泵, 它的优点是没 有滑动部件, 并且可以很方 便的在制冷制 热之间转换。 应用在一些空 间受到限制, 可靠性要求高, 无制冷剂污染 的场合。
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热电制冷 器的研究
• 较好的温差电材 料应有较小的热 导率,使得能量 能保持在接头附 近,还要求电阻 较小,使产生的 焦耳热小。
在Bi2Te3单层薄膜研究方面,最引人注目的是2005年捷克 人Walachova制备的Bi2Te3薄膜,用哈曼法测量ZT值最高 为2.65。
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量子效应对低维材料热 电优值的影响(节选)
单通道近似法中,两个Bi2Te3层被 PbTe层隔开,两个Bi2Te3层之间存在 隧道传输和反射。电子通过障碍层 PbTe层产生的隧道效应与障碍层的高 度、障碍层的厚度和电子能量有关。 对能量为ε的电子,隧道传输系数Tr可 表达为:
材料之一。现在已经被广泛的应用于我们生活的各个角落。
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1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝 的两头各接一根铋丝,在将两根铋
热电现象
丝分别接到直流电源的正负极上,
通电后,发现一个接头变热,另一
个接头变冷。这说明两种不同材料
组成的电回路在有直流电通过时,
两个接头处分别发生了吸放热现象。 热电制冷又称作温

有十分良好的传热和导 电本领的非金属
生成Bi2Te3,并且产生很多神 奇的性能。
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碲化铋——简介
碲化铋是一种灰色的粉末,分子式为Bi2Te3。 碲化铋具有较好的导电性,但导热性较差。是个半导
体材料。
那么什么是 碲化铋最主要的应用是 作为一种热电材料
热电材料呢? Bi2Te3化合物及其固溶体合金是研究最早也是最成熟的热电
材料的塞贝克效应的大小,用温差电动势率α表示。 材料相对于某参考材料的温差电动势率为
由两种不同材料p、n所组成的电偶,它们的温差电动
势α pn等于α p与α n之差,即
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帕尔帖效应(第二热电效应)
•因电此流流,过半两导种不体同电导子体的制冷的18效37果年就,俄主国要物取理决学于家 电势界量这荷差面,就载。时 或 是体纯,向帕将外尔运金从界帖动属外放效的的界出应吸热。两 导收量种 热热。材 导料 电楞流的 性的次能 能方(极 好向L差,e决n,但z定)即制了发热冷是现吸电效,收电 率电•经物体电处势低过理中荷于,(解 运 载 不多可不释动体同次:形在的以到试电成不能成1%荷电同级验功载流的,),体。材当的。科在由料它用半导于中从学来导家做体发还(流系小材现是制的数型料:产冷大成的具P生)小为型热有热 量 成 “半电极量 的 正 帕导制高, 多 比 尔体冷发 少 , 贴的热 与 比 系器热电 例 数。” (高B能i2级Te向3低-S能b2级-运Te动3)时,和N型帕半尔导帖体系(数πB:i2Te3B点i便反动2处-释,时S表e放 从 ,3现出低从)多能外出的余级界明的向吸热显能高收电量能能的势;级量制。相运差冷最效大式果,中。应πI=—d用—Q中/流Id能经T 够导体在的接电
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应用:通过热电器件实现红外隐身
•热电制冷作热红外隐身的表面功能器件使用,通电后保持冷 热两面间的温差,使高温部位向低温部位传导的热量和由制 冷效应由低温部位向高温部位输运的热量达到平衡。 •这样热量都集中到高温部位,通过车辆行驶形成的空气交换 作用将热量传输至不易被热红外探测器探测到的地方,最终 达到热红外隐身的目的。
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