Si热电材料总结

Si纳米热电材料

电子封装1201班

报告人：丰瑞

学号：U*********

选择Si纳米热电材料作为学习的原因当前世界的能源越来越紧缺，但是能源的需求却未曾下降，针对这种能源的状况，使用不可持续的化石能源作为发电的主要原料已经不再适合当今的社会现状，只有开展可持续的发电方式才能缓解甚至解决当前的能源危机。能做到将地球的可持续能源进行转换的装置有很多，但在我看来，将热能转换为电能，不仅是对能源危机的一种解决方案，同时也能解决全球变暖的问题。地球上的热量很多，同时太阳一直对地球的辐射也使得地球一直都保持在一定的温度，使用地热或者空气热是一种可持续的发展方式，所以我将目光集聚到热电材料上来。

热电材料的种类很多，但是许多的热电材料的转换效率不高，同时来源非常稀少，所以寻找一种普遍、高效率的热电材料是必须的。对此我查阅相关的资料，找到了一些关于Si的热电材料，但是由于纯Si的转换效率也不高，所以通过其他物质的掺杂和Si的纳米化以提高转换效率。我比较感兴趣于Si纳米材料的性能的改善原理和效果，所以选择了这个研究方向的了解和学习。

热电材料不仅是一种拯救人类未来能源的材料，同时也是一种环保、绿色、高效的材料，对Si热电材料的学习不仅使我了解热电材料的相关机理，也让我逐渐学习到了Si热电材料的相关的热电知识以及其研究方向和发展前景。

所以谨此写下了这篇热电材料学习的论文。

目录

研究热电材料的原因-------------------------------(4)热电材料的概述和原理-----------------------------------(4) 热电材料的分类-----------------------------------------(5) 当前较热门的研究热点材料的方向-------------------------(5) 新型热电材料-------------------------------------------(6) Si纳米热电材料介绍------------------------------------(8) Si纳米热电材料的优势-----------------------------------(9) Si纳米热电材料瓶颈------------------------------------(9)当前Si热电材料研究进展--------------------------------(9) 如何改进Si纳米热电材料性能----------------------------(10)研究热电材料的前景------------------------------------(11) 当前热点材料的应用------------------------------------(11)

研究热电材料的原因：

热电材料能够直接将电能和热能进行互相转化。由它制成的温差发电器不需要使用任何传动部件, 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, 是一种性能优越、具有广泛应用前景的环境友好型材料。

热电材料发电原理：

热电材料是利用固体内部载流子和声子的输运，及其相互作用来实现热能和电能之间相互转换的半导体功能材料。当热电偶两端存在温差时，同一种载流子由于具有不同能量和存在散射等原因，造成载流子的迁移率不同而在材料两端形成电压，通过导线和外电路相连，产生电流, 此种现象被称为塞贝克(Seebeck)效应。

Seebeck电压ΔV 与热冷两端的温度差ΔT 成正比, 即:

ΔV=SΔT=S(T2−T1)

其中S是塞贝克系数, 由材料本身的电子能带结构决定。

热电优值公式

Z＝S2σ/k

式中:

S——材料的塞贝克系数

σ——电导率

k——热导率

由于每种热电材料都有各自最佳的工作温度范围, 因此人们常用Z 与温度T 之积ZT 这一无量纲值来描述材料的热电性能。

如果存在一种热电材料，室温是25℃，热面的温度是100摄氏度，冷面和室

温相同，当ZT=1的时候，热电效率大约是0.18。但是当ZT=3时，热点效率大约是33%，完全可以取代当前的非可持续发电方式进行发电。

热电材料的分类：

热电材料可以根据很多的物理性质或者化学活性进行分类。其中热电材料根据其工作温度主要可以分为三种:

(1)低温型热电材料:一般在300℃以下使用;

(2)中温型热电材料:一般在500～700℃使用;

(3)高温型热电材料:使用温度高达1000℃以上

当前热门研究的热电材料：

(1)Bi-Te 系列

Bi2Te3基热电材料是室温下性能最好的热电材料, 它化学稳定性较好, 是目前ZT 值最高的半导体热电体材料(ZT值可达到1左右)。

(2) Pb-Te 系列

PbTe 的化学键属于金属键类型, 具有NaCl 型晶体结构, 属面心立方点阵, 其熔点较高(1 095K), 禁带宽度较大。通常被用作300～900K 范围内的温差发电材料。

(3) Si-Ge 系列

SiGe 合金是目前较为成熟的一种高温热电材料,适用于700K 以上的高温。材料单质Si 和单质Ge 的功率因子α2σ都比较大,但是其热导率也比较高,因此都不是好的热电材料。当Si、Ge 形成合金后热导率会有很大的下降, 而且这种下降明显大于载流子迁移率变化带来的导电系数影响,考虑到提高Si 含量可以得到下面三个方面的有利影响:

(1)降低了材料的热导率,使合金具有较大的Seebeck 系数;

(2)增加了掺杂原子的固溶度, 进而获得高的载流子浓度;

(3)提高了SiGe 合金的禁带宽度和熔点, 使其更适合高温下的工作。同时比重小, 抗氧化性好, 适应于空间上的应用。

(4)准晶材料（晶体与非晶体间的固体，完全有序结构，可以有晶体不允许的宏观对称性）

准晶材料由于具有非常低的热导率, 类似于玻璃, 因此在热电材料领域具有相当大的前途。但是由于它的Seebeck 系数较低, 热电优值也相对较低, 如果能找到合适的方法来明显增大Seebeck 系数也可望获得较高的热电优值(5)功能梯度材料(FGM)

热电材料只有在一定的使用温度范围内才有比较窄的高效率区, 而且一般存在最佳电荷载体浓度值。不同的热电材料只有在各自工作的最佳温度范围内才能发挥出最优的热电性能, 当温度稍微偏出后, ZT 值急剧下降, 极大地限制了热电材料的发展和应用。梯度材料是把两种或两种以上的单一材料结合在一起,使每种材料都工作在各自最佳的工作温度区间, 这样不仅扩大了材料的应用温度范围, 又获得了各段材料的最佳ZT 值, 使材料的热电性能得到大幅度的提高。

(6)低维热电材料

理论研究及实验结果都表明, 降低材料维数（比如单层结构或纳米结构）可以提高热电材料的ZT值。

科学给出的主要原因在于降低维数:

(1) 提高了费米能级附近的态密度, 从而提高了Seebeck系数;

(2) 由于量子约束、调制掺杂和多掺杂效应, 提高了载流子的迁移率;

(3) 增加了势阱壁表面声子的边界散射, 降低了晶格热导率。

新型热电材料：

(1) 金属氧化物热电材料

由于传统的热电材料制备困难、成本高、易被氧化等缺点，科学家发现氧化物也可以作为热电材料，并且有些热电材料的热电效率较高。

代表性的高性能氧化物有Ca3Co4O9，其中Ca9Co12O28的ZT 值已经接近当前商用的热电材料。

(2) Skutterudite 热电材料