新型硅基热电材料与某些新型热电材料.docx

热电材料是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能之间相互转换的功能材料。热电材料在应用时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、水能等二次能源一样，对环境没有污染，并且这种材料性能稳定，使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环保材料。在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行新型热电材料的研究具有重要的意义。
近年来，随着纳米合成技术的发展，理论和实验研究工作均已证实具有纳米结构的热电材料要比常规块体材料有更好的热电性能。例如室温下Bi2Te3/Sb2Te3超晶格以及PbTe/PbSeTe量子点的ZT值分别可以达到2.4和1.6。但是这类材料的纳米化非常不容易实现，商用化的成本比较高。2008年，Boukai以及Hochbaum等人成功合成出了硅纳米线并且发现硅纳米线的ZT值在室温时比块体硅提高了两个数量级，是一种潜在的热电材料，已经可以与现在应用的主流热电材料相媲美。由于硅的含量比目前主流的热电材料更为丰富，并且生产基础设施成熟完善，因此硅基纳米材料在热电器件的应用上展现出了光明的前景。
近年来纳米合成技术的发展为寻找新型高性能热电材料开辟了一个新的天地。低维度纳米结构材料具有不同于传统块体材料的结构特征和物理性质，低维材料的表面局域效应也影响着材料内部载流子的传导行为。半导体硅是一种含量丰富，制备工艺简单，使用广泛的基础材料，因此对硅基纳米结构热电材料的研究也将具有很高的应用价值。
热电材料由于在清洁能源、光电子探测等诸多方面有巨大的应用前景，因而受到科学上和技术上的广泛关注。最新的理论进展和若干新材料的发现，为人们提供了新的应用机会。新型热电材料研究进展有：
（1）笼式化合物：是由IV族元素形成的典型的PGEC材料,通式为AxByC45-y,B和C原子构成类富勒烯的笼式框架,A原子位于笼中。
（2）超晶格热电材料:由两种或两种以上不同材料薄层周期性交替生长而形成的材料结构。当两种材料的带隙不同时,这种结构能把载流子限制在势阱中,从而形成超晶格量子阱它具有超周期性和量子限制效应,其有效能隙可调。
（3）方钴矿（Skuttcrudite结构）为一系列通式为AB3的化合物（A=Ir,Co,Rh,Fe;B=As,P等V族元素）研究主要关注IrSb3,RhSb3,CoSb3,其中CoSb3性能最好。一般来说具有Skuttcrudite结构的二元热电材料性能比较好，但由于同时具有较高的热导率，因而其热电优值较低，这也限制了它的发展。
近年来,随着新理论、新方法的出现,新型热电材料的研究取得了更多的进展。其它新型热电材料有：
（1）准晶材料:准晶材料由于具有非常低的热导率,受到了一定的重视,但同时它的Scebeck系数较低,热电优值也相对较低。如果能找到合适的方法,使其Scebeck系数显著增大,也可望获得高的热电优值。
（2）热电材料薄膜:热电材料薄膜是通过减少材料的纬数来提高其ZT值的。其原理和超晶格热电材料类似,是由于量子结构使材料的性质发生了一系列变化。具有量子结构的薄膜材料的ZT值大于体材料,但在测定其性质方面却要比体材料困难得多,尤其是热导率和Scebeck系数的测定。所以这方面仍有待进一步研究。
此外，Badding等研究了压力调制对Kando绝缘体NdxCe3、Pt3Sb4热电性能的影响,发现在高压下(~2GPa)其热电优值为1.2.约是原来的10倍。这表明用化学调制对基体材料优化掺杂从而在常压下达到相同的效果是可能的。电子间存在强烈相互作用的系统也很有吸引力,如“重费米子”半导体,“重费米子”反映这种材料的独特电子性质。由于该材料能带的形成与稀土元素的f轨道有关,所以载流子的有效质量比普通半导体大许多倍,导致Scebeck系数的显著提高。目前已经有一些“重费米子”半导体热电性能的研究,表明了其热电应用的潜力。此外,稀土金属硫属化合物、过渡金属锑化物、复合和梯度热电材料及填充式Bi2Te3基热电材料都是很有前景的热电材料,有关它们的研究也正在不断深入。