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1、科技日报/2004年/08月/30日/热电材料及其应用 热电材料是一种将“热”和“电”直接转换的先进热电材料”资助项目,主要应用对象是利用功能材料。其工作原理是固体在不同温度下具冶金炉等工业高温炉的废热发电以降低能耗。有不同的电子(或空穴)激发特征,当热电材料今年3月又发布了项目指南,计划开展汽车发两端存在温差时,材料两端电子或空穴激发数动机余热温差发电的研究。欧洲20余个研究量的差异将形成电势差(电压)。机构也已联合进行了汽车发动机余热发电方面人们对热电材料的认识具有悠久的历史。的预研,并正在组织“纳瓦到
2、兆瓦热电能量转1823年德国人T.Seebeck发现了材料两端的换”大型科研项目。温差可以产生电压(通常称:温差电现象)。用热电材料制造的温差发电装置和制冷装1834年法国人J.C.A.Peltier在法国王宫演示置具有:无运动部件,无污染,无噪声,无磨损,了温差电现象的“逆效应”:通电使一端制冷而免维护,对形状大小和使用条件的限制小,适用另一端发热(通常称:Peltier效应)。面广等突出优点。目前制约其大规模应用的关热电材料也具有长久的研究历史。20世键因素是热电材料的性能。纪上半叶对热电材料的研究奠定了
3、近代半导体热电材料的性能用“热电优值”Z=a2s/k学科的基础。国内外半导体研究领域的许多著表征。其中,a是温差电势系数(即Seebeck系名学者都是在上世纪五十年代后期开始从热电数),s是电导率,k是热导率。在保持足够高的材料转向以硅为代表的微电子半导体材料研究a和s值的前提下,最大幅度地降低k是提高热的。电材料性能的关键。已有研究表明,材料的纳热电材料的主要应用主要包括:温差发电,米化、低维化(一维纳米线、二维薄膜等)以及结半导体制冷,以及作为传感器和温度控制器在构空穴都有助于降低材料的热导率,是提高热微
4、电子器件和MEMS中的应用等。电材料性能的最有效途径之一。在温差发电方面的应用领域包括:纳米管具有许多特征的物理、化学特性,是1)特殊场合使用的电源。例如:放射性同目前材料、物理、化学等领域的国际学术研究热位素温差发电器(Radioiso2点。纳米管结构同时具有纳米量子效应、低维topeThermoelectricGener鄄ators,简称RTG)。局域效应和空心管对热传导的限制作用,对提美国NASA从Apollo飞船至Pioneer、Voyager、高热电材料性能而言,是一种理想的微观结构Galileo和
5、Ulysses,已在20多个航天器上使用形态。目前常见的碳、硅、碳化硼等纳米管不具RTG作为电源。在俄罗斯,有1000余个类似有热电材料所需的特殊能带结构。的RTG装置用于北极圈附近的海洋灯塔,具最近,在国家自然科学基金和“863计划”有免维护运行20年设计寿命。另外,利用燃油纳米专项的资助下,成功合成了具有纳米管和或木材等燃烧热的小型发电装置,可以为边远纳米囊(薄壁粗短管)形态的Bi2Te3,制备了纳地区、野战小部队等提供小功率电源。米复合结构块状热电材料,在热电性能方面取2)在工业余热、废热和低品位热温差
6、发电得了一定进展(比国际先进水平提高20%)。方面的潜在应用。美国能源部(DOE)于2003这项工作的意义是多方面的:年11月12日公布一个“工业废热温差发电用1)Bi22TeTe3是目前性能最好、使用最广泛的3不仅是目前已知的室温附近性能室温型热电材料,将其制备成纳米管,可进最好的热电材料,而且是原子量最大的稳一步提高其热电性能。定二元化合物,是一种窄禁带半导体,是一种准2)有关热电材料纳米管,此前尚无研究报层状晶体结构化合物。这些特性使得Bi2Te3道。我们一方面提出了热电材料纳米管这个概纳米管/纳米囊在
7、热电材料以外的其他研究领念,同时也获得了纳米管。域也具有潜在的理论研究和应用研究价值。3)Bi
