稀土硒化物的合成和表征

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1、系数也存在方向性．大小由组成材料的性质及温度梯度的正反方向所决定。其符号有正有负。在冷端假设电流的方向由a流向b．则o“为正。Seebeck效应能用于温差发电，它的工作原理如图12所示H”。大多数P型半导体材料由于低温处比高温处的空穴浓度低，空穴向低温端扩散被半导体内部的电场阻止，并且处于动态平衡．半导体能带出现倾斜变化，出现了等于两端的费米能级之差的温差电动势。为了提高热电发电器的输出功率，可以将Ⅱ型和P型半导体材料组台成多个热电堆。温度梯度的金属导体时，能量在周围环境和导体之问发生交换，这种现象称为Thomson效应．如图1．5所示。他运用热力学原理对温差

2、电现象和Pelfier现象进行了分析t得出了在一定时间内热量的大小与通过的电流及导体中的温度梯度之间的关系：dO．dr言“o百(1-3)式中t是比例常数．称为Thomson系数，Q导体是放出或吸收的热，也是Thomson热．些是温度梯度．I是通过导体的电流。当电流经过冷端时．z<0．dT<0，dQ<0，出放热，反之，吸热。t述表征热电材料性能的系数面b及Thomsmon系数T，1．1．2热电效应的影响因素首先，测试热电材料性能的高低是用热电优值(ZT)表示，材料的热电转换效率越高，其热电优值就越大。其中z是材料的热电优值系数，T是绝对温度，由(1-6)所示z：

3、￡Ⅲ(1-6)式中K是热导率．P是电阻率．S是塞贝克系数。由(1-6)式可以得出，增加Seebeck系数，减小热导率和电阻率，可以提高热电优值。KI+砬r(卜7)式中a是电导率，Ke是电子热导率．KL是晶格热导率，“是载流予迁移率，q是电子电荷，P是载流子密度。假设材科接点处平均温度为T．一般选择300K左右作为工作温度，当前热电材料的热电优值只能接近1319]左右，而根据热力学的原理，热电优值可以无限变丈J川。提高热电优值的途径⋯靖：(I)选择最佳的工作温度，(2】选择适合材料的禁带宽度，(3)选择合适的载流予浓度，(4)提高载流子的迁移率．(5)改变晶体内

4、部结构．(6)改变颗粒粒径。半导体材料中具有最佳载流子浓度，其原理是Maxwell—Boltzmann分布理论和理想半导体模型，因此热电优值将会获得较大值。其中热电系数s、载流子浓度n和电导率。存在以下关系”¨J：s=(争][半；](I．8)。=三Ⅻu．(1-9)p式中A是常数．kB是Bolmanann常数．h是普朗克常数。m是电子质量，e是电子电荷，“足迁移率。从式中可以看出，S伴随着电导率o(正比于载流子浓度n)的减小而增大，当功率因子S2／p最大时是在110约等于1025m-3，如图15fb)所示。其次，热导率k的值是由电子热导率k和晶格热导率k女之和决

5、定，如图】，5(a)所示：k=kc+k砷(1-10)(a)(b)一图1．5(荀功率因子a2／p，热导率k、电阻宰p随载流子浓度不同的变化图tb)电子热导率kL、晶格热导睾k髓载流子浓度不同的变化圄其中k是由著名的Wiedemann—Franz定律决定瓦T寺㈡¨⋯Ptl月‘U≈／由于电子的热导率随着电子的电导率的增加而变大．因此提高材料热电性能的关键是降低材料的声子热导率。l_1,3提高材料热电性能的主要途径从上面几个公式可以观察到，高的$eebeck系数、低的热导率和高的电导率是任何一个热电材料都想拥有的热电系数，因此捕电材料无论应用在制冷方面还是发电方面都需

6、要材料能提供较高的热电优值，不仅如此．较好的热电材料还必须具备多样化功能．例如材料需要良好的导热性能．其导热性要高于玻璃：材科还需要忧越的导电性能，其导电性要高于普通晶体。一般的熟电材料无法满足上述条件．其原因是材料内部的自由电子包括空穴，它们的密度函数由于三个重要效应之间相互耦合所决定，因而载流子数量的大小影响两个重要的效应，应当选取一个合适的范围。由电子热导和声子热导之和决定了热导率的大小，其中声子热导占了总热导率的90％【I”。不同材料的内部组成很复杂，结合公式可以得出提高热电效率的简单方法是降低晶体内部的热导率。下面总结了近年来提高热电性能的几个方法：

7、(1)增加热电输出功率I“】．其方法是将材料梯度化使热电材料扩大了温度的使用范围。在温度发生变化时，材料的热电优值也随着变化，当温度变化很小时，热电优值变化非常明显，这就影响了热电材料在实际应用中的性能发挥。因此在某个固定的温度区域．不同的热电材料都有一个最高的热电忧值。材料梯度化就是把几种不同的热电材料结合到一起．让每个材料在最理想的温度区域：c作，这样每个材料发挥了独特的性能，并且扩大了材料工作的温度范围，这样提高了材料的热电性能。(2)使材料的结构低维化㈣．材料被低维化后热电性能发生了很大变化，其原困是改变了材料内部载流子的输运性能．而形貌的不同如量子线

8、和量子阱起决定性作用-量子阱超晶格内部