热电材料的研究进展

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1、第!#卷第%%期大学物理9:;*!#<:*%%!""&年%%月4.==>?>5@ABC4B<:D*!""&%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%!"!!!!!!!!!!!""!物!理!·!自!然!·技!术!·!社!会!"!热电材料研究进展郑文礼%，李志文%，刘炳灿!，田强!（%*承德民族师范高等专科学校物理系，河北承德"(+"""；!*北京师范大学物理系，北京%"")+,）摘要：在介绍热电材料制冷工作原理，分析热电材料优值系数的基础上，介绍了#""-以下热电材料的

2、研究进展，以及热电材料制冷特点、现状和应用前景*关键词：热电材料；塞贝克系数；优值系数中图分类号：.&)!*(文献标识码：/文章编号：%"""0"+%!（!""&）%%0"",,0"#热电材料是温差产生电动势或外加电场导致热其中!为电流密度，!为热流密度，#是电场强度，"流的材料或器件*近来年，热电材料的研究备受人们是电阻率，$是塞贝克系数，"2是热导率*式（%）乘!的重视，特别是对制冷机的环保要求，进一步促进了以得#1，代入式（!），于是有!!!3$%［%］半导体制冷、磁制冷的研究和发展*!"1$%!$"%（#）%’世纪初，人们在实验中发现了一些材

3、料的热系数"是零电流时的热导率，"与"2的关系为电效应，其中最著名的是塞贝克发现的温差电现象!$%"21"（%3）1"（%3&%）（&）和珀尔帖发现的温度反常现象；其后，人们进行了热!"!电效应发电和热电制冷的研究*当时使用的热电材$其中&1（,）料主要是金属材料，能量转换效率较低*!"称为材料的优值系数*式（#）表明电流引起热量的流随着半导体材料的深入研究和广泛应用，热电动，这就是热电材料制冷的工作原理基础*热电制冷性能良好的半导体材料和半金属材料使热电效应的效率4.5为效率大大提高，从而使热电效应发电和热电制冷逐渐步入实用阶段，目前在国防、工业、

4、农业、医疗和日%6#%3&（%63%7）!!$%74.51（(）（%）·｛%3#%3&（%）!!｝常生活等领域热电效应均有一定应用，如热电制冷7$%663%7大到可以用于核潜艇的空调，小到可以用来冷却红其中%6是冷端温度，%7是热端温度*制冷效率外探测器的探头*由于目前用于热电制冷的材料主4.5的值随优值系数&的增加而增加*当&$8要是半导体和半金属，因此通常把热电制冷又称做时，4.5趋于卡诺循环效率，即4.5$%6!"%1%6／半导体制冷*（%）*由上式可知，当冷端温度%和热端温7$%66本文在介绍热电材料制冷工作原理，分析热电度%一定时，热电制冷

5、效应决定于优值系数&*因7材料优值系数的基础上，介绍热电材料的研究进展、此对热电材料的研究就是要寻找大&值的材料或应用现状和前景*设法提高材料的&值*!热电材料制冷工作原理"热电材料制冷效率的分析根据塞贝克效应和珀尔帖效应，热电材料中电在热电材料性能的研究中，对于制冷效率的提流密度!和热流密度!"的宏观输运方程为：高，主要是设法提高优值系数&*下面在对优值系数!1（#$$%）!!（%）&分析的基础上，主要讨论材料的载流子浓度，以及!"1$%#!!$"2%（!）载流子迁移率与热导率之比对于热电材料优值系数收稿日期：!""#$"#$%"；修回日期：!""

6、&$"&$!"基金项目：教育部高等学校骨干教师资助项目作者简介：万方数据郑文礼（%’()—），男，河北平泉人，承德民族师范高等专科学校物理系讲师，硕士，主要从事固体物理学教学与研究工作*"@大学物理第)/卷的影响!需要分析载流子迁移率和晶格热导率!在非简并的!"#载流子浓度及其最佳值情况下，如果载流子浓度较低，对热导的贡献较小，由式（"）可知，优值系数!与热导率!成反比，即电子热导率可以忽略时，优值系数!可以表示为"/!)（0）热导率!包括晶格热导率!#和电子热导率!$，其!!#（$!$）!!#式中为载流子迁移率，$"为载流子有效质量，$中!$敏感依

7、赖于载流子浓度；同时，!的另外两个#因子，电阻率和塞贝克系数"也都是载流子浓度为自由电子质量!这时要得到较高的优值系数!，必"的函数!与优值系数!有关的"，!，"与载流子浓度须使材料具有低晶格热导率!#或高迁移率#，或具［)］，由此得到优值有较高的载流子迁移率与晶格热导率之比!#的关系如图%（&）、（’）、（(）所示系数!随载流子浓度#的变化，如图%（*）所示!由良好的热电材料的晶格热导率比较低，典型值图%（*）可知，载流子浓度存在一个最佳值，在#接为!#!%1!（-·2）!一方面，人们选用重金属，这样近%+%,./时，材料的优值系数!最大，#过大或

8、的金属有较小的声子能量和较低的声速，热导率比(-过小都会使!减小!这也是半导体、半金属和合金较低，常见的良好