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飞米热(mǐ rè卡塔尔国电材料的研讨现状及张望_随想精选_好文学网

N型硅锗合金是一类性能优异的高温热电材料,由它制成的放射性同位素热电发电机RTG可以长时间有效地将放射性同位素衰变产生的热量转化为电能,工作性能稳定而无需额外燃料和人工维护,满足了航空航天器、卫星等设备在黑暗广袤的太空中的各种仪器供电需求。硅锗合金多应用于航天航空而很少出现在日常生活中,一个主要原因就是大量掺杂的锗元素提高了材料成本;另一个原因是硅锗合金的热导率在5W/mK以上,制约了其热电转换效率。如何利用低锗组分的硅锗合金实现同等甚至更为优异的热电转换应用,就需要考虑除了合金材料对声子的质量散射以外其他的作用机理。

纳米热电材料的研究现状及展望

对此中国科学院深圳先进技术研究院博士隋帆与其合作者展开了关于低锗组分的硅锗合金材料的热电性能调控相关的研究,通过快速的放电等离子烧结技术,保留硅锗合金的微纳结构以及合金母体中的异质纳米颗粒,这种合成方法可以引入大量边界散射,使得低锗组分材料具有与RTG的高锗合金一样高效的热电转换效率。另外,该研究与美国喷气推进实验室合作,利用合金材料这一优异的测试标样对比了塞贝克系数的两种现行主要测试方法:同轴法和异轴法,发现异轴法会在热电偶局部造成“冷点效应”,使得高温区域的塞贝克系数测量值明显偏高,这也就意味着,现有的广泛应用的异轴法测试提供了大量误导性的文献数据,引起学术界广泛关注。论文以科学,Influence of YbP on the thermoelectric properties of n-type P doped Si95Ge5alloy 为题于近日发表在Journal of Alloys and Compounds 期刊上。

时间:2017-01-10 09:06点击: 次来源:好文学作者:admin评论:- 小 + 大

硅材料往往具有较高的热导率,合金体系通过锗元素掺杂,可以提高对声子的质量散射,降低热导率,诸如RTG使用的硅锗合金采用了20%的锗掺杂量,最终实现1.3以上的zT值。在低锗的Si95Ge5材料中,锗原子不能造成足够的质量散射来有效降低热导率,隋帆利用一系列不同组分P和YbH2前驱物均匀分散到硅锗合金的多晶粉末中,通过快速的放电等离子体烧结一步完成YbP异质颗粒的反应嵌合和材料的烧结。

低维热电材料被认为相对块材热电材料有着更好的热电性能,以下是小编搜集整理的一篇探究纳米热电材料研究现状的论文范文,欢迎阅读参考。

通过对样品系统表征发现,1%低浓度掺杂的YbP组分可以降低材料的晶格热导率,取得和RTG同等甚至高温区域更优的热电转换效率。合金中团聚的纳米颗粒会产生比同等数目的单个原子更强的散射,这是由于除了质量差异引起的散射,纳米颗粒会有更明显的弹性系数差异,对于声子频率的散射也受纳米颗粒的半径影响。该研究还发现,不同测量原理的塞贝克系数表征会引起很大的偏差,这是由于在高温区域需要准确获得电极间的温差和电压差需要同轴法测量,才能避免异轴法在局部的温差畸变。该研究对于硅锗合金的热导率调控提出了新的解决思路和实验方案。

摘 要:文章旨在总结纳米热电材料的研究现状,对当前纳米热电材料的创新与发展理论基础做了探索和解释,并讨论了下一代纳米热电材料制备的几种发展方向。

论文链接

关键词:热电材料;低维材料;纳米复合材料

科学 1

随着世界经济的发展,全球的能源需求量逐渐增大,世界所面临的能源危机和环境污染两大问题也日益严重。目前市场上的热电发电器件的转化效率约为5%。Bi2Te3、PbTe、Si1-xGex等热电材料的ZT大值只有1左右,而只有当ZT>2的时候热电材料才有可能得到广泛的应用。近年来纳米结构的热电材料如超晶格、纳米线、量子点和纳米复合材料在热电优值ZT上有了很大的提高。本文将着重综述近几年来纳米尺寸或者说纳米结构的热电材料所取得的重大进展,并对热电性能提高的理论基础作出阐述。

图1.样品热导率随温度的变化,在不增加锗含量的前提下,YbP在合金中的掺杂有效降低了材料的晶格热导率

1 热电材料研究进展

科学 2

1.1 声子玻璃电子晶体类型的热电材料

图2.研究对比的两种不同的塞贝克系数测量原理:左图为异轴法测量,右图为同轴法测量

Slack提出了佳热电材料的类型,即“声子玻璃电子晶体”,这种材料同时具备类似玻璃的热导率和类似晶体的电导率,一般来说,这种材料分布着着大量的由原子构成的笼状大型状孔隙,异质元素的原子以弱束缚状态存在于这些大型状孔隙中。异质原子在孔隙中能够产生一种居于化程度很大的非简谐振动,被称为“振颤子”,由于这种振动相对于晶体中的其它原子是完全独立的,它能在保证材料电导率的前提下有效地降低热导率。典型的声子玻璃电子晶体热电材料有方钴矿,包合物材料和β-Zn4Sb3等。

1.2 纳米结构热电材料

低维热电材料被认为相对块材热电材料有着更好的热电性能,因为它的费米能级附近的态密度通过量子限制效应得到了增强从而使塞贝克系数得到了增强,并且低维热电材料中大量的净截面能有效的散射声子,使热导率降低。

1.2.1 二维热电材料:量子阱和超晶格

Kicks和Dresselhaus首次通过计算提出Bi2Te3量子阱层间量子限制效应使费米能级附近的态密度增加,从而提高了塞贝克系数。他们还提出如果Bi2Te3层的厚度小于声子的平均自由程,层与层之间的晶界面就会强烈地散射声子从而大幅度地降低热导率。Harman等人在此基础上将PbSe的纳米点嵌入到PbTe的晶格中发展了PbTe PbSeTe的量子点超晶格薄膜,优ZT值达1.6,明显高于相应块材的ZT值。Shakouri认为是由于二维结构导致的量子限制效应增加了冷端和热端掺杂能级的差异性,导致了塞贝克系数和电导率的增加。目前基于二维热电材料的薄膜、量子阱和超晶格结构已经可用于小负荷或低发电量的电子激光点设备。