低维纳米热电材料研究进展
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的应 用 。
一
面的各向异性 ＿］ （ ） 没有 明显增加 电子散 射 ， １；４在 即没有 明
显改变材料电导率的前提 下 ， 显著增加声 子 的界 面散射 ， 以
大大降低 材料 的导热系数＿ 。 】 研究表明［，，一 三维材 料的 ＺＴ值不 随厚 度的变化而 １１１ ， ０４ ５ 变化 ， 然而随着维度 的降低 ， Ｔ 值则 随着厚 度 的降低 急剧 Ｚ 地增加 ， 并且一维材料 的 Ｚ Ｔ值的增加更 为剧烈 。当厚度超 过 １０ｎ ｌ 度 基 本 不 影 响 Ｂ。 ｅ材 料 的 Ｚ丁值 ， 明 尺 度 ０ ｌ ， Ｔ尺 ｉ 。 Ｔ 说
传统 采用掺杂 和形 成固溶体 的方法来 提高材料 的电导率 ， 但
由于 ５ 这 ３个 参 数 都 是 载 流 子 浓 度 的 丽数 ， 们 相互 关 它
小于其相应体 相 半导 体玻 尔 直径 （ ｏ ｒｉ ｔｒ 通 常在几 Ｂ ｈｄａ ｅ， ｍｅ
纳米 到 数 十 纳 米 范 围 内 ） ， 时 系统 就会 形成 一 系 列量 子 能 级 ， 电 子 在 其 中 的 运 动 受 到 约 束 ， 就 是 量 子 尺 寸 效 应 一 。 由 这 一
２ １零 维 纳 米 热 电材 料 ．
零 维 材 料 ， 在 空 间 三 维 尺 度 均 属 于 纳 米 尺 度 的材 料 ， 指 如 纳 米 颗 粒 ， 子 团族 等 。纳 米 颗 粒 或 纳 米 尺 寸 的 空 洞 可 提 原
设 想 将热 电材 料 制 成 零 维 量 子点 结 构 、 维 量 子 线 和二 维 超 一
晶格 ， 利用尺寸效应降低声 子热导 率 ， 而提 高材料 的热 电 从
优值 。他 还 预 言 当量 子 阱 宽 度 在 ６ｎｎ以 下 时 ， ｉＴ 。 米 ｒ Ｂ ｅ纳
２ 低 维 纳 米 热 电材 料
联和影响 ， 并且电子热 导率 Ｉ和电导率 ａ 从 Ｗｉ ｅ ｎ ｃ ｅ 遵 ｅ ｍａ － ｄ
Ｆ ａｚ ｒｎ 定律 Ｊ— Ｔ， 于许 多热 电材料 ， ｃ ｅ 对 在提 高 电导率 的
同 时 也导 致 了 ｓ大 幅降 低 和 的 升 高 。热 导 率 包 括 晶 格 热 导 率 和 载 流 子 热 导 率 Ｊ 两 部 分 ， 格 热 导 率 占总 热 导 ｃ ｚ 晶
展， 人们 不 得 不 寻 找 更 洁 净 和 可 持续 的 能 源 。热 电材 料 （ Ｅ 是一种利用半导体 内部载流子运 动实现热 能与 电能之 Ｔ ） 间直接转换 的特殊功能材料 ］ 由热电材料制作 的温差发 ， 电和制冷器件具有无污染 、 无噪声 、 于维护 、 易 安全可靠 等优 点 ＿ ， 工业 余 热 发 电 、 天 、 电 子 及 制 冷 等 领 域 具 有 广 泛 ６在 ］ 航 微
般利用热 电优值 ＺＴ来衡量热 电材料 的优劣 ， 其表达
式 为 ： Ｔ＝ Ｓ Ｉ 其 中 Ｓ 是 Ｓ ｅ ｅｋ系 数 ， Ｚ ０Ｔ／ ， ｏ ｃ ｅｂ ｃ ｏ是 电 导 率 ， Ｔ 是绝 对 温度 ， 是 热 导 率 。 ＂ Ｚ Ｔ越 大 ， 料 的 热 电 性 能 越 好 。 材
于低 维材料电子结构不同 ， 零维量子点材料在 ３个方 向上 的 运动都受到约束（ 所谓约束是指在这个方 向上 的尺寸与 电子
的 德 布 罗 意 波 长 或 电 子 的 平 均 自由 程 相 比 拟 更 小 ） 一 维 量 ； 子 线 材 料 的 载 流 子 仅 在 一 个 方 向 上 可 以 自由 运 动 ； 二 维 量 在
０ 引 言
随着现代工业 的高速发展 ， 能源危机和 由化石燃料 的利
用 而 产 生 全 球 变 暖 等 问 题 日趋 严 重 。 为 了 人 类 的 可 持 续 发
态密度 ， 以提高 Ｓ ｅｅｋ系数 ； ２ 由于量子 约束 ， ｅｂ ｃ （） 调制掺 杂
效 应 ， 高 载 流 子 的 迁 移 率 ；３ 利 用 多 能 谷 半 导 体 费 米 提 （）
率的 ９ Ｌ ， 以为增 大 ｚ值 ， 复杂 的体 系 内， 关键 的 ０ ９所 ］ 在 最
是 降 低 晶 格 热 导 率 ， 是 目前 提 高 材 料 热 电效 率 的 主 要 途 这
径。
子阱中 ， 流子仅在一个 方 向上 受到 约束 ， 它两个 方向是 载 其
自 由的
பைடு நூலகம்
１９ ９ ３年 ， ｃｓ ｌ＿ Ｈｉ 等 ＿ 首次提出 了纳米热 电材料 的概念 ， ｋ ｌ ０
述 了零维纳米热 电材料 、 一维纳米热电材料 、 维纳 米热 电材料 的最新研 究进展 ， 二 为低 维纳 米热 电材料 的进 一步深入研 究做
了初 步 的 总 结 和 预 测 。 关 键 词 ： 维 ； 米 ； 电材 料 低 纳 热 中图 分 类 号 ： ＴＱ１４ ７ 文献标识码 ： Ａ 于块 体 热 电材 料 的重 要 特 征 是 存 在 许 多 界 面 和 一 定 程 度 上 的纳 米 尺 度 特 性 ， 些 特 征有 助 于 ：１增 加 Ｆ ｒ 能 级处 的 这 （） ｅ ｍｉ
中国材料科技与设备 （ 双月刊）
低维纳米热 电材料研究进展
２１ ０ １年 ・ ３期 第
低 维 纳 米 热 电材 料 研 究 进 展
陈宏 ， 冬 生 ， 小玲 朱 漆
（ 华南理工大学 化学 与化 工学 院强化传 热与过程节能教育部重点实验室 ， 广东 广州 ５０ ４ ） １ ６０
摘 要 ： 维 纳 米热 电材 料 具 有 优 良的 热 电性 能 ， 年 来受 到 大 量研 究者 的 喜 爱 。本 文 讨 论 低 维 纳 米 热 电材 料 的 机 理 ， 低 近 综
效应 已 不 明 显 。 可 见 ， 维 化 和 小 尺 度 化 是 热 电 材 料 研 究 和 低 开 发 极 具 前 景 的 发 展 方 向 。根 据 量 子 物 理 和 经 典 物 理 中 的 电 子 声 子 尺 度 效 应 ， 量 子 点 和 量 子 阱 系 统 中 ， 晶 体 尺 寸 在 当
一
面的各向异性 ＿］ （ ） 没有 明显增加 电子散 射 ， １；４在 即没有 明
显改变材料电导率的前提 下 ， 显著增加声 子 的界 面散射 ， 以
大大降低 材料 的导热系数＿ 。 】 研究表明［，，一 三维材 料的 ＺＴ值不 随厚 度的变化而 １１１ ， ０４ ５ 变化 ， 然而随着维度 的降低 ， Ｔ 值则 随着厚 度 的降低 急剧 Ｚ 地增加 ， 并且一维材料 的 Ｚ Ｔ值的增加更 为剧烈 。当厚度超 过 １０ｎ ｌ 度 基 本 不 影 响 Ｂ。 ｅ材 料 的 Ｚ丁值 ， 明 尺 度 ０ ｌ ， Ｔ尺 ｉ 。 Ｔ 说
传统 采用掺杂 和形 成固溶体 的方法来 提高材料 的电导率 ， 但
由于 ５ 这 ３个 参 数 都 是 载 流 子 浓 度 的 丽数 ， 们 相互 关 它
小于其相应体 相 半导 体玻 尔 直径 （ ｏ ｒｉ ｔｒ 通 常在几 Ｂ ｈｄａ ｅ， ｍｅ
纳米 到 数 十 纳 米 范 围 内 ） ， 时 系统 就会 形成 一 系 列量 子 能 级 ， 电 子 在 其 中 的 运 动 受 到 约 束 ， 就 是 量 子 尺 寸 效 应 一 。 由 这 一
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零 维 材 料 ， 在 空 间 三 维 尺 度 均 属 于 纳 米 尺 度 的材 料 ， 指 如 纳 米 颗 粒 ， 子 团族 等 。纳 米 颗 粒 或 纳 米 尺 寸 的 空 洞 可 提 原
设 想 将热 电材 料 制 成 零 维 量 子点 结 构 、 维 量 子 线 和二 维 超 一
晶格 ， 利用尺寸效应降低声 子热导 率 ， 而提 高材料 的热 电 从
优值 。他 还 预 言 当量 子 阱 宽 度 在 ６ｎｎ以 下 时 ， ｉＴ 。 米 ｒ Ｂ ｅ纳
２ 低 维 纳 米 热 电材 料
联和影响 ， 并且电子热 导率 Ｉ和电导率 ａ 从 Ｗｉ ｅ ｎ ｃ ｅ 遵 ｅ ｍａ － ｄ
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同 时 也导 致 了 ｓ大 幅降 低 和 的 升 高 。热 导 率 包 括 晶 格 热 导 率 和 载 流 子 热 导 率 Ｊ 两 部 分 ， 格 热 导 率 占总 热 导 ｃ ｚ 晶
展， 人们 不 得 不 寻 找 更 洁 净 和 可 持续 的 能 源 。热 电材 料 （ Ｅ 是一种利用半导体 内部载流子运 动实现热 能与 电能之 Ｔ ） 间直接转换 的特殊功能材料 ］ 由热电材料制作 的温差发 ， 电和制冷器件具有无污染 、 无噪声 、 于维护 、 易 安全可靠 等优 点 ＿ ， 工业 余 热 发 电 、 天 、 电 子 及 制 冷 等 领 域 具 有 广 泛 ６在 ］ 航 微
般利用热 电优值 ＺＴ来衡量热 电材料 的优劣 ， 其表达
式 为 ： Ｔ＝ Ｓ Ｉ 其 中 Ｓ 是 Ｓ ｅ ｅｋ系 数 ， Ｚ ０Ｔ／ ， ｏ ｃ ｅｂ ｃ ｏ是 电 导 率 ， Ｔ 是绝 对 温度 ， 是 热 导 率 。 ＂ Ｚ Ｔ越 大 ， 料 的 热 电 性 能 越 好 。 材
于低 维材料电子结构不同 ， 零维量子点材料在 ３个方 向上 的 运动都受到约束（ 所谓约束是指在这个方 向上 的尺寸与 电子
的 德 布 罗 意 波 长 或 电 子 的 平 均 自由 程 相 比 拟 更 小 ） 一 维 量 ； 子 线 材 料 的 载 流 子 仅 在 一 个 方 向 上 可 以 自由 运 动 ； 二 维 量 在
０ 引 言
随着现代工业 的高速发展 ， 能源危机和 由化石燃料 的利
用 而 产 生 全 球 变 暖 等 问 题 日趋 严 重 。 为 了 人 类 的 可 持 续 发
态密度 ， 以提高 Ｓ ｅｅｋ系数 ； ２ 由于量子 约束 ， ｅｂ ｃ （） 调制掺 杂
效 应 ， 高 载 流 子 的 迁 移 率 ；３ 利 用 多 能 谷 半 导 体 费 米 提 （）
率的 ９ Ｌ ， 以为增 大 ｚ值 ， 复杂 的体 系 内， 关键 的 ０ ９所 ］ 在 最
是 降 低 晶 格 热 导 率 ， 是 目前 提 高 材 料 热 电效 率 的 主 要 途 这
径。
子阱中 ， 流子仅在一个 方 向上 受到 约束 ， 它两个 方向是 载 其
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பைடு நூலகம்
１９ ９ ３年 ， ｃｓ ｌ＿ Ｈｉ 等 ＿ 首次提出 了纳米热 电材料 的概念 ， ｋ ｌ ０
述 了零维纳米热 电材料 、 一维纳米热电材料 、 维纳 米热 电材料 的最新研 究进展 ， 二 为低 维纳 米热 电材料 的进 一步深入研 究做
了初 步 的 总 结 和 预 测 。 关 键 词 ： 维 ； 米 ； 电材 料 低 纳 热 中图 分 类 号 ： ＴＱ１４ ７ 文献标识码 ： Ａ 于块 体 热 电材 料 的重 要 特 征 是 存 在 许 多 界 面 和 一 定 程 度 上 的纳 米 尺 度 特 性 ， 些 特 征有 助 于 ：１增 加 Ｆ ｒ 能 级处 的 这 （） ｅ ｍｉ
中国材料科技与设备 （ 双月刊）
低维纳米热 电材料研究进展
２１ ０ １年 ・ ３期 第
低 维 纳 米 热 电材 料 研 究 进 展
陈宏 ， 冬 生 ， 小玲 朱 漆
（ 华南理工大学 化学 与化 工学 院强化传 热与过程节能教育部重点实验室 ， 广东 广州 ５０ ４ ） １ ６０
摘 要 ： 维 纳 米热 电材 料 具 有 优 良的 热 电性 能 ， 年 来受 到 大 量研 究者 的 喜 爱 。本 文 讨 论 低 维 纳 米 热 电材 料 的 机 理 ， 低 近 综
效应 已 不 明 显 。 可 见 ， 维 化 和 小 尺 度 化 是 热 电 材 料 研 究 和 低 开 发 极 具 前 景 的 发 展 方 向 。根 据 量 子 物 理 和 经 典 物 理 中 的 电 子 声 子 尺 度 效 应 ， 量 子 点 和 量 子 阱 系 统 中 ， 晶 体 尺 寸 在 当