热电材料低维化的研究进展

对 于传 统 的 三 维 材 料 ， 、 ｓ Ｋ和 是 相 互 关 联 的 三 个 变 量 ， Ｔ值 的 提 高 受 到 了 限 制 ． 维 热 电 材 料 因 为 具 有 特 殊 的结 构 ， Ｚ 低 使 得 比相 应 的 体 材 料 的热 电 性 能 有 大 幅 度 的提 高 ． 要 原 因是 量 子 约 束 作 用 使 材 料 的 态 密 度 在 费 米 面 附 近 增 加 ． 米 面 附 近 的 主 费 能 带 结 构 是 决 定 输 运 性 能 的 主 要 因 素 ， （ ） Ｓｅ ｅｋ系数 与 载 流 子 能 带 结 构 的 关 系 ． 式 １ 是 ｅｂ ｃ
景 的发 展 方 向 ． 维 结 构 大 大 提 高 了费 米 面 附近 的 态 密度 ， 高 了 Ｓ ｅ ｅ ｋ系数 ； 材 料 的 晶粒 细化 到 纳 米 级 别 ， 低 提 ｅｂｃ 将 可 以 增加 对 载 流 子 和 声 子 的散 射 ， 降低 热 导 率 ， 最终 提 高 了材 料 的 热 电 性 能 ． 对低 维 热 电材 料 的 研 究 进 展 进 行 介 绍 和 简要 评 述 ， 对 影 响 低 维 热 电材 料 的 热 电性 质 的 因素 进 行 了讨 论 ． 并 关键 词 ： 维 热 电 材 料 ； 子 点 超 晶 格 ； 米 线 ； 米 管 ； 米 复 合 材 料 低 量 纳 纳 纳
研 究 成 为 材 料 科 学 的 一 个 研 究 热 点 … ． 电材 料 是 一 类 能 够 实 现 热 能 和 电 能 之 间 直 接 转 换 的 特 殊 功 能 材 料 ． 电 材 料 的 优 劣 热 热
以其热电优值 ｚ 来 表 征 ， 是 一 无 量 纲 量 ， 义 为 ｚ ｚ 定 ＝ＳｏＴＫ， 中 Ｓ 、 ｒ／ 式 、 Ｋ分 别 是 Ｓｅ ｅｋ系 数 、 导 率 和 热 导 率 ， ｅｂ ｃ 电 ｒ为 绝 对 温 度 ． 中 Ｓ 称 为 热 电材 料 的 “ 率 因 子 ” 一 种 好 的 热 电材 料 必 须 具 有 大 的 Ｓ ｅｅｋ系 数 Ｓ 小 的热 导 率 以及 大 的 电 导 其 功 ． ｅｂｃ ， 率 ， 这 ３个 参 数 不是 独立 的 ， 们 都是 载 流 子 （ 但 它 自由 电 子 和 空 穴 ） 度 Ⅳ 的 函数 ． 略 地 说 ， 密 粗 电导 率 与 载 流 子 密 度 Ⅳ成 正 比 ； 好 相 反 ， Ⅳ增 大 时 ｜逐 渐 趋 于 零 ， Ⅳ 减 小 时 Ｓ会 无 限增 大 ； 导 率 是 声 子 热 导 率 （ 和 电子 热 导 率 （ ） 和 ： Ｓ正 当 ｓ 而 热 Ｋ） 之 Ｋ＝
图 ２ Ａ Ｐ １ ｂ ｅ。 品 高 分 辨 图像 ｇ ｂ８ Ｔ Ｓ 样
Ｆｉ ２ Ｈ ｉ ｈ ｒ ｓ ｌ ｉ ｇ． ｇ ｅ ｏｕｔｏｎ ＴＥＭ ｍ ａｇ ｓ ｏ ｉ ｅ ｆＡｇＰｂｌ ８ ＳｂＴｅｏ ａ ｐ ｅ ２ｓ ｍ ｌ
受 以上 发 现 的 启 发 ， 们 开拓 了更 多 的体 系来 寻 找可 能提 高热 电优 值 的块 材 ， 在 Ｐ ｓ Ｔ 。 ｅ及 Ｐ ｎＴ —Ｐ Ｓ 人 并 ｂ ｂ ｅ 一ｓ 。 ｂ一ｓ ｅ ｂ
Ｋ ＋ ， 近似与 Ｋ
．
Ⅳ无 关 ， 与 Ⅳ 成 正 比． 以上 分 析 可 看 出 ， 于 传 统 的 块 体 材 料 ｚ 从 对 值 的增 加 显 得 较 为 困难 ．
目前 ， 索具 有 优 良热 电性 能 的新 一 代 热 电材 料 主 要 通 过 两 种 途 径 ， 种 是 寻 找 新 的 热 电 材 料 体 系 ， 一 种 是 利 用 低 维 探 一 另 热 电材 料 ． 量 的 理论 预 言 ： 着 材 料 的 纳 米 化 及 维 数 的 降 低 ， 导 致 Ｓ Ｋ和 三 者 之 间 的独 立 变 化 ， 而 使 得 优 化 其 中一 个 大 随 会 、 从 参 数 就 可提 高 材 料 的 热 电性 能． 外 ， 米 材 料 的高 密 度 晶 界 对 声 子 具 有 更 强 的 选 择 性 散 射 ， 此 可 以大 大 降 低 材 料 的 热 导 此 纳 因 率 Ｋ ． 些 理 论 预 言 不 仅 引起 了 人 们 极 大 的 兴趣 ， 且 还 在 不 同 的 低 维 体 系 中 得 到 了 验 证 ． 这 而
（ ）０ ｄ Ｄ
图 １ 不 同 维 度 材 料 的 体 ，ｂ 二 维 量 子 阱 。 ｅ 一 维 纳 米 线 。 ｄ 零 维 量 子 点 ａ三 （ Ｊ （） （）
Ｆ ｇ １ Ｄｅ ｓｔ ｆｓａ ｅ ＤＯＳ）ｆｒｖ ｒｏ ｓｄｍｅ ｓｏ ａｌ ｅ ｉ ． ｎ ｉ ｏ ｔ ｔｓ（ ｙ ｏ ａ ｉｕ ｌ ｎ ｉｎ ｌ ｉｓ ｔ （ ａ）ａｂ ｌ ｔｒａ ３ ｕｋ ｍａｅ ｉｌ（ Ｄ），（ ｂ）ａ ｑ ａ ｔｍ ｌ ２ ，（ ）ａ ｎ ｎ ｗｉｅ（ Ｄ）。ａ ｄ （ ｕ ｎｕ ｗｅｌ（ Ｄ） ｅ ａ ｏ ｒ １ ｎ ｄ）ａｑ ａ ｔ ｍ ｏ ０ ． ｕ ｎ ｕ ｄ ｔ（ Ｄ）
第２ Ｏ卷 第 ３期
２１ ０ １年 ９ 月
河 南 教 育 学 院 学报 （自然科 学 版 ）
Ｊｕ ｎ ｌｏ ｎ ｎＩ ｓｉ ｔ ｆＥｄ ｃ ｔ ｎ （ ｔｒｌＳ ｉｎ ｅＥ ｉｏ ） ｏ ｒａ ｆＨｅ ａ ｎｔ ｕｅｏ ｕ ａｉ ｔ ｏ Ｎａｕａ ｃｅ ｃ ｄｔ ｎ ｉ
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其 中 ， 玻 尔 茨 曼 常 数 ， ， 为 费米 能 级 式 ， 式 （ ） 含 义 是 ： 流 子 浓 度 在 费米 面 附 近 能 量 梯 度 ０ｎ （ ／ Ｅ越 大 ， 料 Ｋ是 Ｅ称 公 １的 载 Ｉ Ｅ） ｏ 材 的 Ｓ ｅｅｋ系 数 越 大 ． １ 不 同 维 度 材 料 的态 密 度 （ Ｏ ） 分 布 ， 于 量 子 尺 寸 效 应 的 影 响 ， 着 维 度 的 降 低 （ １一 图 ｅｂ ｃ 图 是 Ｄ Ｓ的 由 随 图 ８
Ｓｅ ． ０ｌ ｐ２ １
ｄ ｉ １ ． ９ ９ ｊ ｉｓ ． ０ ７—０ ３ ２ １ ． ３ ０ ９ ｏ ：０ ３ ６ ／．ｓｎ １０ ８ ４． ０ ０ ． ０ １
热 电材 料 低 维 化 的 研 究 进 展
吴 旌 贺 ， 小 波 ， 先 林 史 赵
（ 南教 育 学 院 理 论 物 理 重 点 学科 组 ， 南 郑 州 ４ ０ ４ ） 河 河 ５０ ６
河 南 教 育 学 院 学 报 （自然 科 学版 ）
２１ ． ０ １皋
寻 找 具 有 较 高 Ｚ 值 的 块 材 是 热 电 材 料 迈 向 器 件 应 用 的 重 要 一 步 ， 前 块 材 最 高 ｚ 值 是 Ｋ Ｎ Ｔ ＩＩ 小 组 在 Ｔ 目 Ａ Ａ Ｄ ＺＳ Ａ Ｐ ｂ ｅ＋ 列 样 品 中发 现 的 ． ｍ ＝１ ｇｂＳＴ： 系 在 ８的 Ａ Ｐ ｂ ｅ 中发 现 了 目前 块 材 中最 高 的热 电优 值 ２ ２ ８０Ｋ） 通 过 合 成 样 ｇ ｂ。 Ｔ Ｓ 。 ． （ ０ ．
Ｅｎ ｒ ｙ ａ ｂｕ ｉ） ｅ ｇ （ ｒ ．ｎ ｔ
（ ）３ ａ Ｄ
Ｅｒ ｙ ａ ｂ．ｎ ｔ ｉ ｒ （ ｒ ｕ ｉ） ｅｇ
ｆｂ ２Ｄ ）
Ｅ ｅ ｇ （ ｒ ．ｎ ｔ ｎ ｒｙ ａ ｂｕ ｉ ）
（Ｃ ）１ Ｄ
Ｅ ｅ ｇ （ ｒ ． ｎｔ ｎ ｒ ｙ ａ ｂｕ ｉ ）
２ 不 同 维 数 热 电材 料 的 研 究
低 维 热 电 材 料 的 研 究 一般 分 为 两 种 ： 制 备 纳 米 晶 镶 嵌 热 电块 材 、 维 纳 米 超 晶 格 或 一 维 的 纳 米 线 ； 将 上 述 纳 米 结 构 ① 二 ②
（ 括 零 维 的纳 米 量 子 点 ） 入 到 体 相 材 料 中 ， 提 高 体 相 材 料 热 电 性 质 ． 下 分 别 进 行 阐述 ． 包 引 以 以 ２ １ 三维 块 体 热 电材 料 ．
１ 低 维 热 电材 料
低 维 材 料 是 指 材 料 的线 度 比 电 子 的 平 均 自由程 短 或 相 当 的材 料 ． 和 习 惯 的 三 维 宏 观 块 体 材 料 不 同 ， 维 数 比 三 小 的 材 它 是
料 ， 体来说是二 维（ 量子 阱）一维 （ 量子线／ ） 零维 （ 具 如 、 如 管 和 如量 子 点 ）材 料 ． １为 它 们 的三 维示 意 和 态 密 度 图 ． 图
收 稿 日期 ：０１ ２ １—０ ３—２ ２
基 金 项 目 ： 家 自然 科 学 基 金 （ １ ４ ０ ４ ； 南 省 教 育 厅 自然 科 学 基 金 （２ １ Ａ１ ０ ０ ）资 助 项 目 国 ２ ０ ２０ ） 河 ０ ｌ ４０６
作 者 简 介 ： 旌 贺 （９ ７ ） 男 ， 南 商 丘 人 ， 南 教 育 学 院理 论 物 理 重 点 学 科 组 副 教 授 ， 学 博 士 ， 究 方 向 ： 聚 态 物 理 ． 吴 １７ 一 ， 河 河 理 研 凝
品 的高 分 辨 图像 ， 以发 现 在 均 匀 的母 体 中存 在 不 少 纳 米 尺 度 的 颗 粒 ， ２是 在 Ｐ Ｔ 可 图 ｂ ｅ母 体 中 包 裹 的 富 含 Ａ ｇ—ｓ ｂ区 域 （ 中 图 自 圈 内 ） 正 是 由 于这 些 纳 米 区域 的存 在 ， 大 地 降 低 了体 系 热 导 ， 且 保 持较 高 的 热 电 势 ， 致 了整 个 体 系 热 电 性 能 的 提 高 ． ． 极 并 导
１ ） 材 料 的 态 密 度 由准 连 续 能 带 逐 渐 量 子 化 ． 度 越 小 ， 种 趋 势 就 越 大 ， 零 维 量 子 点 中 出 现 了 完 全 分 立 的 能 级 ． 据 式 ｄ ， 维 这 在 根 （ ） 在 低 维 时 ， 米 面 的态 密度 梯 度 比三 维 时 大 得 多 ， 以低 维 材 料 的 Ｓ ｅ ｅ ｋ系 数 比较 大 ． 时 低 维 化 结 构 能 够 增 加 势 阱 表 １ ， 费 所 ｅｂ ｃ 同 面声 子 的 边 界 散 射 和 声 子 的 量 子 约 束 效 应 ， 而 降 低 了 品 格 热 导 率 ， 终 提 高 了 ｚ 从 最 值 ．
摘 要 ： 电材 料 是 一 种 能 够 实现 电 能 与 热 能 之 间 直接 转 换 的 功 能 材 料 ， 可提 供 一 种 既 清 洁 又 安 全 的发 电和 热 它
制 冷 方 式 ， 有 广 泛 的 应 用 前 景 ． 年 来 的 理 论 和 实验 研 究 表 明 ， 维 化 和 小尺 度 化 是 热 电材 料 研 究 和 开 发 极 具 前 具 近 低
中图分类号 ：４２７ ０ ７ ． 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ７—０ ３ ２ １ ０ １０ ８ ４（ ０１ ） ３—０ ２ ０ ５—０ ４
０ 引 言
在 以 石 油 价 格 暴 涨 为 标 志 的 “ 源 危 机 ” 后 ， 国 科 学 家 都 在 致 力 寻 求 高 效 、 污 染 的新 的 能 量 转 化 利 用 方 式 ， 达 到 能 之 各 无 以 合 理有 效 利 用 工 农 业 余 热 、 车 废 气 、 热 、 阳 能 等 能 量 的 目的 ． 是 ， ２ 汽 地 太 于 从 Ｏ世 纪 ９ ０年 代 以 来 ， 源 转 换 材 料 （ 电 材 料 ） 能 热 的
体 系 中 也 发 现 了热 电 性 能 的 提 高 ． 些 纳 米 镶 嵌 体 的发 现 充 分 验 证 了理 论 上 关 于 镶 嵌 纳 米 晶能 提 高 声 子 散 射 的论 证 ． 这