- 相關(guān)推薦
新型熱電材料的研究進(jìn)展
隨著能源的日益緊缺以及環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重,熱電材料作為一種環(huán)保、清潔的新能源材料近年來(lái)備受關(guān)注,下面是小編搜集整理的一篇探究熱電材料研究進(jìn)展的論文范文,供大家閱讀參考。
【摘要】本文介紹了熱電材料的研究進(jìn)展,重點(diǎn)介紹了Half-Heusler金屬間化合物、方鈷礦、納米技術(shù)和超晶格材料等新型熱電材料的研究狀況。
【關(guān)鍵詞】熱電材料;金屬間化合物;超晶格材料
引言
熱電材料又稱溫差電材料,是一種利用固體內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能的直接相互轉(zhuǎn)化的功能材料。隨著新材料合成技術(shù)的發(fā)展以及用X射線衍射技術(shù)和計(jì)算機(jī)來(lái)研究化合物能帶結(jié)構(gòu)參數(shù)等新技術(shù)的出現(xiàn),使得熱電材料的研究日新月異。
1熱電材料的研究進(jìn)展
1.1 傳統(tǒng)熱電材料的研究進(jìn)展
50年代,蘇聯(lián)的Ioffe院士提出了半導(dǎo)體熱電理論,Ioffe及其同事從理論和實(shí)踐上通過(guò)利用兩種以上的半導(dǎo)體形成固溶體可使ZT值提高,從而發(fā)現(xiàn)了熱電性能較高的致冷和發(fā)電材料,如Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶體合金。
常規(guī)半導(dǎo)體的ZT值主要依賴于載流子的有效質(zhì)量、遷移率和晶格熱導(dǎo)率,優(yōu)良熱電材料一般要求大的載流子遷移率和有效質(zhì)量,低的晶格熱導(dǎo)率[1]。根據(jù)這些理論原則,發(fā)現(xiàn)了上述的一些較好的常規(guī)半導(dǎo)體熱電材料,如適合室溫使用的Bi2Te3合金、適合中溫區(qū)(700K)使用的PbTe、高溫區(qū)(1000K)使用的SiGe合金,更高溫度(>100K)下使用的SiC等。
1.2 新型熱電材料的研究進(jìn)展
1.2.1 Half-Heusler金屬間化合物
Half-Heusle金屬間化合物的通式為ABX,A為元素周期表左邊的過(guò)渡元素(鈦或釩族),B為元素周期表右邊的過(guò)渡元素(鐵、鈷或鎳族),X為主族元素(稼、錫、銻等)。Half-Heusler金屬間化合物是立方MgAgAs型結(jié)構(gòu)。這種材料的特點(diǎn)是在室溫下有較高的電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù),可以達(dá)到300μV/K,在700~800K時(shí),材料的ZT值可達(dá)到0.5~0.6,但缺點(diǎn)是熱導(dǎo)率也很高(室溫下為5~9W/(M・K))[2]。
1.2.2填充Skutterudite化合物
Skutterudite化合物是指具有CoAs3型結(jié)構(gòu)的材料,中文名為方鈷礦材料,結(jié)構(gòu)通式可表示為AB3,其中A為Rh、Co、Ir等金屬元素,B為Sb、As、P等非金屬元素。其具有復(fù)雜的立方晶體結(jié)構(gòu),如圖1所示,每個(gè)單胞中存在兩個(gè)大的空隙,大質(zhì)量的金屬原子可以填充到空隙中,形成填充方鈷礦結(jié)構(gòu)。填充原子在空隙中振動(dòng),對(duì)聲子產(chǎn)生很大的散射,大幅度降低晶格熱導(dǎo)率[3]。填充原子越小,質(zhì)量越大,晶格熱導(dǎo)率的降低就越明顯。
早期的填充方鈷礦材料研究主要集中在稀土原子的填充,且多為P型材料,ZT值可達(dá)到約1.0,但是稀土元素在CoSb3結(jié)構(gòu)中的填充率較低。在N型系統(tǒng)中,Chen等[4]在2001年首次報(bào)道了堿土金屬原子Ba在CoSb3中的穩(wěn)定填充結(jié)果,且實(shí)現(xiàn)了高達(dá)44%的填充量以及高于1.0的ZT值。研究表明,通過(guò)多原子復(fù)合填充可以顯著降低晶格熱導(dǎo)率。
1.2.3金屬氧化物
金屬氧化物具有高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,可以在高溫以及氧氣氛中使用,并且大多數(shù)氧化物都無(wú)毒、無(wú)污染、環(huán)境友好,是一種環(huán)境友好型熱電材料。1997年Terasaki等[5]發(fā)現(xiàn)層狀金屬氧化物NaCo2O4具有很好的熱電性能,具有很高的Seebeck系數(shù)和低的熱導(dǎo)率。Funahashi等[6]制備了Ca2Co2O5單晶晶須Seebeck系數(shù)在100K時(shí)為100μVK,并隨溫度升高而增大973K時(shí)達(dá)210Μvk。金屬氧化物熱電材料的不足在于電導(dǎo)率偏低。
1.2.4納米技術(shù)和超晶格材料
HickslDetal[7]對(duì)Bi2Te3二維疊層狀結(jié)構(gòu)材料熱導(dǎo)率的理論計(jì)算表明,隨材料疊層厚度的降低,熱導(dǎo)率大大降低,若能制成納米厚度且各層晶體取向不同的納米級(jí)超晶格,材料的ZT值將比塊體材料提高10倍,室溫下達(dá)到6.9。AnnHetal[8]有關(guān)不同晶粒尺寸的CoSb3材料的傳輸性能研究表明,微米級(jí)晶粒尺寸的減小可以檢測(cè)出熱電性能的提高。因此,制備亞微米級(jí)特別是納米級(jí)小晶粒尺寸的多晶材料將是制備高性能熱電材料的重要途徑之一。
超晶格材料是由兩種或兩種以上不同材料薄層周期性交替生長(zhǎng)而成。當(dāng)兩種材料的帶隙不同時(shí),能把載流子限制在勢(shì)阱中,形成超晶格量子阱,產(chǎn)生不同于常規(guī)半導(dǎo)體的輸運(yùn)特性,提高了態(tài)密度。Dresselhaus的近似計(jì)算表明,隨量子阱阱寬的減小,ZT值單調(diào)增大。
2結(jié)語(yǔ)
隨著能源的日益緊缺以及環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重,熱電材料作為一種環(huán)保、清潔的新能源材料近年來(lái)備受關(guān)注。以Half-Heusler金屬間化合物和方鈷礦為代表的新型熱電材料在溫差發(fā)電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,材料微觀結(jié)構(gòu)的納米化是提高材料熱電性能的重要用途之一。
參考文獻(xiàn)
[1]徐桂英,葛昌純等.熱電材料的研究和發(fā)展方向[J].材料導(dǎo)報(bào),2000(11),14(11):38-41
[2]李洪濤等.熱電材料的應(yīng)用和研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)A:綜述篇,2012(8), 26(8):57-61
[3]Masaki O, Yasutoshi N, Hiromasa T K, Isao A N. Evaluation of thermoelectric properties of impurity-doped PbTe[J]. Materials Transactions, 1998,39(6): 672-678.
[4]Chen L D, Kawahara T, Tang X F,et al. Anomalous barium filling fraction and n-type thermoelectric performance of BayCo4Sb12[J].Appl Phys,2001, 90(4):1864
[5]Tan Z S, Jesser W A, Rosi F D.Microstructure of thermoelectric SiGe alloys containing fullerite[J].Material Science and Engineering. B,1995,33(2-3):195-203
[6]M.H.Ettenberg,J.R.Maddux.Improving Yield and Performance in Pseudo-Termary Thermoelectric Alloys(Bi2Te3XSb2Te3)(Sb2Ses)[J].Journal of Crystal Growth,1997,179(1):495-502
[7]Joseph R Sootsman, et al.New and old concepts in thermoelectric maerials[J].AngewChemInt Ed, 2009, 48;8616
[8]Shi X ,etal.Low thermal conductivity and high thermoelertric figure of merit in n-type BaxYbyCo4Sb12double-filled skutterudites[J].ApplPhs Lett,2008,92,182101
【新型熱電材料的研究進(jìn)展】相關(guān)文章:
納米熱電材料的研究現(xiàn)狀及展望08-22
關(guān)于新型功能材料的論文08-12
梯度功能材料的研究進(jìn)展07-16
淺談新型建筑防水材料09-27
新型建筑材料的開發(fā)與使用08-11
新型混凝土材料水利施工論文08-14
新型建筑材料的應(yīng)用與未來(lái)展望07-29
新型土木工程材料淺析09-17