热电材料与纳米工程.pdf

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1、Nanotechnology任山中山大学，理工学院，纳米技术研究中心Chapter5Thermoelectricmaterials/device&nanoengineering2Nanotech，SYSU，SRen基本内容5.1，热电材料及器件基本概念5.2，基本特性及应用背景5.3，热电材料及器件面临的问题5.4，纳米工程在热电材料中应用3Nanotech，SYSU，SRen5.1，基本概念4Nanotech，SYSU，SRenSeebeck效应:温差-电转换•1823年，法国物理学家ThomasJ.Seebeck发现

2、当由两种不同导体构成的闭合回路的两端节点存在小温差ΔＴ时,回路中有热电流产生,这就是Seebeck效应。5Nanotech，SYSU，SRenPeltier效应：电-制冷现象•1838年，Peltier发现当电流通过两个不同导体的节点时,在节点附近有温度变化，一个节点会变冷，而另一个结点温度会变热。•习惯上把热电制冷器件称为Peltier器件6Nanotech，SYSU，SRen热电器件示意图将多个半导体热电对串列在一起可以得到不同的电压（可达几十伏），而将多个热电对并联则可以得到不同大小的电流（可达十几安培），按照需要

3、将多个热电对集合在一起就形成了热电器件7Nanotech，SYSU，SRen多级热电器件•多级热电堆每一级可维持温差约50K8Nanotech，SYSU，SRen典型的热电器件器件发展趋势面积更大厚度更小9Nanotech，SYSU，SRenMicro-cooling10Nanotech，SYSU，SRen热电器件的特点•热电器件的优点–无机械运动部分，高可靠性，使用寿命长，维护费用低；–无振动和噪声；–制冷速度快，响应时间短；控温精确；–改变电极方向，可实现制冷、加热双向控制–双效：可同时实现制冷和温差发电–体积小重量

4、轻，易于和光电子器件集成；–无工质泄漏，环境友好–。。。。。。11Nanotech，SYSU，SRen3），目前面临的理论和实验问题•为什么热电器件没有大规模普及？12Nanotech，SYSU，SRen热电材料性能指标－优值因子ZTZ：figureofmerit优值因子α：thethermopower（Seebeck系数）：theelectricalconductivity（电导率）κ:thethermalconductivity.（热导率）(Heatiscarriedbybothelectrons(κ)andpho

5、nons(κ),andκ=ephκ+κ.)ephT：使用时温度（绝对温度K）13Nanotech，SYSU，SRen优值因子与Carnotefficiency•atypicalthermoelectric(Peltierdevice)generatorhasaCarnotefficiencyofabout5-8%.一般热电材料，ZT≈1压缩机制冷：ZT～314Nanotech，SYSU，SRen载流子浓度的影响ComparisonofDifferentMaterials半导体具有最高的ZT值15Nanotech，SYSU

6、，SRen上个世纪50年代发现的室温附件最好的热电材料BiTe23ZT≈116Nanotech，SYSU，SRen目前实用热电材料ZT随温度的变化一般热电材料，ZT≈117Nanotech，SYSU，SRen传统结构提高ZT系数的困难一般材料无法增加导电性能的同时减小导热性能！18Nanotech，SYSU，SRen提高热电材料性能的途径1.提高电子态密度，增加Seebeck系数α2.提高导电性的同时不显著增加导热率。3.减小导热率的同时不显著减小导电性。理想的热电材料金属导电性，玻璃导热性电子晶体，声子玻璃19Nano

7、tech，SYSU，SRen提高热电性能的两种结构1,Newfamiliesofadvancedbulkthermoelectricmaterials。Theadvancedbulk-materialsapproachfocusedonnewcategoriesofmaterialsthatcontainedheavy-ionspecieswithlargevibrationalamplitudes(rattlers)atpartiallyfilledstructuralsites,therebyprovidingeff

8、ectivephonon-scatteringcenters.Themostprominentoftheseadvancedbulkmaterialsaretheso-calledphonon-glass/electron-crystal(PGEC)materials(suchasthepartiallyfilled