熱電材料與熱電優值結報

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1、基礎物理實驗─熱電材料與熱電優質量測週一班第12組游承祖庄浩宇吳岳樺一、引言Seebeck在1823年發現由兩種不同金屬接合成的線路上，若兩接點間有溫差時，即會產生電位差，在科學家的研究下經由實驗有許多熱電現象被提出來，而且也由物理學家Thomson(LordKelvin)建立了熱電現象的理論基礎，但是因為一般效率的熱電效率較低，無法引起科學家的興趣。直到1954年Goldsmid和Douglas用有較高電熱效應的半導體材料，將其研發的熱電致冷器成功的冷卻至0°C以下，才因此引起全球性的研發熱潮。1977年美國旅行家無人太空船

2、升空，其中部份電能便是利用放射性熱電產生器(radioisotopethermoelectricgenerators)產生，成為熱電效應發展的里程碑。二、原理無處不在的熱能有別於其他太陽能、電能等能源，在環境當中隨意可得，而熱電材料就是指可以直接將浪費的熱能轉變成有用的電能之材料，由於不需要動件的運作及摩擦，熱電材料可長期可靠的作工而不需特別維護，而堅固與無雜音是其發電最大的優點。熱電現象的研究可分為熱電產生器(發電)與熱電致冷器(吸收熱)，雖在1823年就由Seebeck提出，甚至也建立了熱電現象的理論公式，但因效率不彰遲至

3、1954年才由Goldsmid和Douglas兩位科學家在半導體材料的革新前提下，終於成功地使熱電致冷器能冷卻至0°C以下，終於使這個領域有長足的進步及應用研發之重視。製造熱電產生器或熱電致冷器的材料被稱為熱電材料，是一種將電能與熱能交互轉變的材料。熱電產生及熱電致冷器的工作原理分別如圖一(a)、(b)所示。其中均需要透過P、N型熱電材料之串接元件，形成商品化的模組，如圖二所示為TEC-3103(20×20mm2)商業化熱電元件產品。雖然熱電材料經過了百餘年的發展，現在利用熱電材料製成的裝置之效率仍遠比傳統發電機小，卻在近年來

4、奈米科技的發展下，又開啟了新的研究契機。圖一(a)、(b)熱電產生極熱電致冷器的工作原理圖二、TEC-3103(20×20mm2)商業化熱電元件產品熱電材料的性能可由其熱電優值ZT來描述：(1)其中S為Seebeck係數，T為溫度，為電導率，K為熱導率。若要使熱電元件效率能與傳統發電機或冷凍機相比，要求ZT必須大於5。目前熱電材料的選擇，主要仍以碲化鉍及其合金、碲化鉛及其合金、矽鍺合金等為主，然而其熱導率K則相對提高。影響式(1)中S項的物理機制主要包括散射因子(scatteringparameter)，能態密度(theden

5、sityofstates)，載子遷移率(mobility)及費米能階(thepositionoftheFermilevel)等四項。前面三項一般被認為是材料的本質性質，只能藉由長夠好更純的樣品來改進，而實驗上能控制S的物理量即藉由改變摻雜濃度來調整費米能階以達到最大的S值。此外，固體材料熱傳導率K包含了晶格熱傳導係數KL及電子熱傳導係數Ke，即K=KL+Ke。熱電材料之熱傳導大部分是藉著晶格聲子(phonos)來傳導。晶格熱傳導係數KL正比於樣品定容比熱，聲速及平均自由程(meanfreepath)等三個物理量。同樣前二個物理

6、量是材料的本質特性無法改變，而平均自由程則隨材質中雜質或晶界(grainboundaries)的多寡而改變。依據上述原理，近年來對提高熱電材料品質係數的研究發展，主要從兩方面著手：一為新材料之開發；其次為低維度元件技術之發展。例如鈉氧化鈷被發現因為電荷自旋而成為比普通金屬高十倍熱電功率的熱電新材料。這一個發現也開啟氧化物系列材料的研究。其次，在奈米科技發展下，低維度的基礎研究也正快速發展中，奈米材料有比塊材更多的界面，以及量子侷限化效應，故奈米結構有新的物理現象，這對提升ZT值有突破性的改善，故奈米科技被預期為高ZT值熱電材料

7、的希望。例如利用超晶格結構造成「聲子阻絕，電子穿透」，有效降低晶格之熱傳導，可將品質係數提高。如Venkatasubramanian等人以及Harman等人理論預估可將材質的ZT值提升至在室溫可達2-2.4。另外，利用異質結構界面熱離子發射效應方面，Vashaee與Shakouri證明具高能障的金屬超晶格若在熱離子發射過程，橫向動量不守恆，可容許較多的熱電子參與導電過程，使其ZT值在室溫可大於5。然而，現階段具前瞻性之發展，仍以侷限於理論工作者居多。根據理論，開發低維度熱電材料結構之奈米技術的確為實現熱電元件帶來新的希望。其中

8、，材料的選擇及元件製造技術是製作高效率熱電產生器的最重要基礎，目前不論在理論方面或實驗方面均仍有很大的待開發空間。一、實驗步驟本實驗分為三個部分如下：第一部分不同材料熱傳導率之比較1.利用PASCO公司提供之HeatConductionApparatusTD-8513模組，首