氧化锌基热电材料研究进展.pdf

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1、第30卷第12期乐山师范学院学报Vol．30,No．122015年12月JournalofLeshanNormalUniversityDec．,2015氧化锌基热电材料研究进展范强，杨建会，邓迟，张建平，肖志刚，曹进（乐山师范学院物理与电子工程学院，四川乐山614000）摘要：纤锌矿氧化锌（ZnO）是一类性能优异的高温热电材料，在航天飞行器和太阳能温差发电方面具有广阔的应用前景。如何最大限度地提高材料的热电优值（ZT值）是当今热电材料研究的主要问题，常通过对电子和声子输运性能的综合调控，以达到热学性能和电学性能的协调统一来获得最优ZT值。文章综述了纤锌矿ZnO基陶瓷和纳米结构

2、材料的热电性能研究进展，重点介绍了研究工艺、掺杂和量子限制效应等方法对电子和声子输运的调控结果，分析了其对提高ZT值的效果，展望了今后的研究重点和方向。关键词：纤锌矿ZnO；热电材料；热电优值；电子输运；声子输运中图分类号：TB34；O472文献标志码：A文章编号：1009-8666（2015）12-0021-05DOI:10.16069/j.cnki.51-1610/g4.2015.12.0070引言[1-5]功率因子。研究表明，S、、这三个参数都是载流子浓度的函数，它们间存在着相互制约的内部近年来，全球能源需求不断增大，环境与能源[2-3]关联，如电导率的增加通常会导致电

3、子热导危机问题日益严重，环境友好的热电材料开始受[4][2，6，7]到更为普遍的关注。热电材料是一种能够实现热率的增加和Seebeck系数的降低，这使得能和电能直接相互转换的功能材料，可充分利用对材料ZT值的优化调控变得比较困难。各类热源，如太阳能、各种工业废热、汽车尾气、人长期以来，氧化锌（ZnO）材料因具有来源丰体温差等，并将其高效转化为电能。另外，热电材富、价格低廉、无污染、易制备、化学稳定性好等优料具有节约能源、无需机械部件、无噪音，对环境点而备受关注，其研究范围主要在光电、透明导电[8-13]无污染等优点，是一种性能优异的环境友好型材膜、压电和p型掺杂等领域。199

4、6年日本学者[2]料，在温差发电和热电制冷等领域具有重要的应Ohtaki等人开始了对ZnO热电性能的研究，之后用价值和广泛的应用前景。热电材料的能量转换ZnO逐渐成为备受关注的氧化物高温热电材料之[2-4，14-18]效率通常用无量纲热电优值来一。为了提高ZnO的热电性能，人们对ZnO的电子输运和声子输运性能进行了深入的研究，表征，式中S为Seebeck系数，为电导率，T为希望通过对电子和声子性能的综合调控来获得最绝对温度，、分别为电子热导率和晶格热导优的ZT值。然而，ZnO基材料的热电输运机理、电2率，=+为材料的总热导率，S称为材料的子与声子输运调控对提高ZT值的贡献仍不

5、完全收稿日期：2015-09-22基金项目：乐山师范学院资助科研项目（Z1273）；四川省教育厅资助重点科研项目（15ZA0273，13ZB0111）；乐山市科技计划重点研究项目（15GZD111，15GZD113）作者简介：范强（1982—），男，四川沐川人。乐山师范学院物理与电子工程学院讲师，博士，研究方向：热电、光电功能材料与器件、材料设计与性能模拟；杨建会（1980—），女，四川绵竹人。乐山师范学院物理与电子工程学院副教授，博士，研究方向：材料设计与性能模拟。21清楚。本文综述了包括陶瓷、薄膜和一维纳米结构温热电材料。目前，对WZ-ZnO基热电材料的研等多种尺度纤锌矿

6、ZnO基热电材料的研究进展，究，主要集中在陶瓷、纳米薄膜、纳米线和纳米管从实验研究和理论计算两方面入手，介绍了掺杂等几种结构。和量子限制效应对能带结构、电导率、晶格热导率2ZnO陶瓷材料等参数的优化结果，分析了其对提高ZT值的调控效果，结合目前的研究现状展望了今后的研究重对ZnO基热电材料的研究，常采用传统的固点及发展方向。相反应法、液相法、化学共沉淀法等制备方法，不同的制备工艺对材料的结构影响显著，进而可影1晶体结构与热电性能响其热电性能。从晶体学角度看，ZnO有四种晶体结构：六角2.1固相反应法纤锌矿结构Wurtzite-ZnO（WZ-ZnO，B4结构），闪固相反应法具有

7、制备工艺简单、成本低廉等锌矿结构Zincblende-ZnO（ZB-ZnO，B3结构），岩优势，为获得更加优异的导电性能，常在ZnO中[19]盐结构Rocksalt-ZnO（RS-ZnO，Bl结构）和氯化掺入合适的元素，提高电导率，可优化其热电性[2]铯结构Cesiumchloride-ZnO（CsCl-ZnO，B2结能。1996年，Ohtaki等人采用固相反应法，以ZnO[20-21]构）。常温常压下最稳定的结构为WZ结构，和Al2O3为原料，在1400℃下成功制备出掺Al的ZB结构为亚稳态结构，高压