纳米热电材料的研究现状及展望

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纳米热电材料的研究现状及展望

作者：李帆 漆波

来源：《企业技术开发·下旬刊》2013年第04期

摘 要：文章旨在总结纳米热电材料的研究现状，对当前纳米热电材料的创新与发展理论基础做了探索和解释，并讨论了下一代纳米热电材料制备的几种发展方向。

关键词：热电材料；低维材料；纳米复合材料

中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）12-0096-01

随着世界经济的发展，全球的能源需求量逐渐增大，世界所面临的能源危机和环境污染两大问题也日益严重。目前市场上的热电发电器件的转化效率约为5%。Bi2Te3、PbTe 、Si1-xGex 等热电材料的ZT 最大值只有1左右，而只有当ZT>2的时候热电材料才有可能得到广泛的应用。近年来纳米结构的热电材料如超晶格、纳米线、量子点和纳米复合材料在热电优值ZT 上有了很大的提高。本文将着重综述近几年来纳米尺寸或者说纳米结构的热电材料所取得的重大进展，并对热电性能提高的理论基础作出阐述。

1 热电材料研究进展

1.1 声子玻璃电子晶体类型的热电材料

Slack提出了最佳热电材料的类型，即“声子玻璃电子晶体”，这种材料同时具备类似玻璃的热导率和类似晶体的电导率，一般来说，这种材料分布着着大量的由原子构成的笼状大型状孔隙，异质元素的原子以弱束缚状态存在于这些大型状孔隙中。异质原子在孔隙中能够产生一种居于化程度很大的非简谐振动，被称为“振颤子”，由于这种振动相对于晶体中的其它原子是完全独立的，它能在保证材料电导率的前提下有效地降低热导率。典型的声子玻璃电子晶体热电材料有方钴矿，包合物材料和β-Zn4Sb3等。

1.2 纳米结构热电材料

低维热电材料被认为相对块材热电材料有着更好的热电性能，因为它的费米能级附近的态密度通过量子限制效应得到了增强从而使塞贝克系数得到了增强，并且低维热电材料中大量的净截面能有效的散射声子，使热导率降低。

1.2.1 二维热电材料：量子阱和超晶格

Kicks和Dresselhaus 首次通过计算提出Bi2Te3量子阱层间量子限制效应使费米能级附近的态密度增加，从而提高了塞贝克系数。他们还提出如果Bi2Te3层的厚度小于声子的平均自由程，层与层之间的晶界面就会强烈地散射声子从而大幅度地降低热导率。Harman 等人在此

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纳米热电材料的研究现状及展望

作者：李帆 漆波

来源：《企业技术开发·下旬刊》2013年第04期

摘 要：文章旨在总结纳米热电材料的研究现状，对当前纳米热电材料的创新与发展理论基础做了探索和解释，并讨论了下一代纳米热电材料制备的几种发展方向。

关键词：热电材料；低维材料；纳米复合材料

中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）12-0096-01

随着世界经济的发展，全球的能源需求量逐渐增大，世界所面临的能源危机和环境污染两大问题也日益严重。目前市场上的热电发电器件的转化效率约为5%。Bi2Te3、PbTe 、Si1-xGex 等热电材料的ZT 最大值只有1左右，而只有当ZT>2的时候热电材料才有可能得到广泛的应用。近年来纳米结构的热电材料如超晶格、纳米线、量子点和纳米复合材料在热电优值ZT 上有了很大的提高。本文将着重综述近几年来纳米尺寸或者说纳米结构的热电材料所取得的重大进展，并对热电性能提高的理论基础作出阐述。

1 热电材料研究进展

1.1 声子玻璃电子晶体类型的热电材料

Slack提出了最佳热电材料的类型，即“声子玻璃电子晶体”，这种材料同时具备类似玻璃的热导率和类似晶体的电导率，一般来说，这种材料分布着着大量的由原子构成的笼状大型状孔隙，异质元素的原子以弱束缚状态存在于这些大型状孔隙中。异质原子在孔隙中能够产生一种居于化程度很大的非简谐振动，被称为“振颤子”，由于这种振动相对于晶体中的其它原子是完全独立的，它能在保证材料电导率的前提下有效地降低热导率。典型的声子玻璃电子晶体热电材料有方钴矿，包合物材料和β-Zn4Sb3等。

1.2 纳米结构热电材料

低维热电材料被认为相对块材热电材料有着更好的热电性能，因为它的费米能级附近的态密度通过量子限制效应得到了增强从而使塞贝克系数得到了增强，并且低维热电材料中大量的净截面能有效的散射声子，使热导率降低。

1.2.1 二维热电材料：量子阱和超晶格

Kicks和Dresselhaus 首次通过计算提出Bi2Te3量子阱层间量子限制效应使费米能级附近的态密度增加，从而提高了塞贝克系数。他们还提出如果Bi2Te3层的厚度小于声子的平均自由程，层与层之间的晶界面就会强烈地散射声子从而大幅度地降低热导率。Harman 等人在此