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纳米技术在提高热电材料性能上的应用现状及发展趋势3 罗?婷,任?山 (广州中山大学光电材料与技术国家重点实验室纳米技术研究中心,510275) ??摘要??综述了形成超晶格结构、纳米线(或纳米管)和纳米复合结构3种纳米技术在提高热电材料性能(ZT值) 上的研究现状、存在的困难及发展趋势,同时指出纳米技术在提高热电材料性能上的应用还需要进一步完善理论模型,优化样品制备的实验手段,了解材料微观结构以及确定结构与性能之间的关系。 关键词??热电材料?纳米技术?超晶格结构?纳米线(或纳米管)?纳米复合结构中图分类号:TB34;O472.7? TheApplicationofNanotechnologyinEnhancementofTEMaterials’Efficiency LUOTing,RENShan (TheCentreforNanotechnologyResearch,StateKeyLaboratoryofOptoelectronicMaterialsandTechnologies, SunYet2senUniversity,Guangzhou510275) Abstract??Thispaperdiscussesthepresentsituation,thedifficultyandthedevelopmentofnanotechnologyin thermoelectricmaterials,mainlyontheapplicationsofsuperlattice,nanowire(ornanotube)andnano2compositeforen2hancingproperties.Itispointedoutthatthetheorymodelsandpreparationmethodsshouldbeoptimized,andtherela2tionshipbetweenmicro2structureofmaterialsandtheperformancestillremainsunclear. Keywords??thermoelectricmaterial,nanotechnology,superlattice,nanowire(ornanotube),nano2composite ? 0?引言 热电材料是一种在固体状态下就可使热能与电能相互转换(静态能量转换)的材料。它能做成重量轻、体积小的微型半导体制冷器,解决计算机技术、航天技术、超导技术及微电子技术等高技术领域的制冷难题。例如“Swiftech”公司生产的用于奔4CPU芯片制冷的热电制冷器“MCW50002PT”体积仅有83.8mm×68.6mm×58.4mm。热电材料还能利用余热或温差发电,释放大量废热的钢铁和化学工业是其未来应用的重要领域。例如1999年报道[1]在精工手表中安装了采用薄膜温差热电材料制备的高效温差电池,利用人体与环境间的温差实现了手表的供电;2004年初密歇根大学的迈尔库里?卡纳齐研制出一种利用汽车排气管和周围空气温差发电的新型热电材料,在600℃的温差下能将18%的热能转化成电能[2]。 高性能热电材料研究和开发是高效率热电转换器件的研制及其应用、商业化的基础和前提。材料的热电性能一般由热电优值系数Z描述:Z=S2σ/κ,其中S为材料的Seebeck系数,σ为电导率,κ为导热系数。可以看出,材料要得到高的Z值,应具有高的Seebeck系数、高的电导率和低的热导率。但在常规材料中这是困难的,因为三者是耦合的,都是自由电子(包括空穴)密度的函数。材料的Seebeck系数随载流子数量的增大而减小,电导率和导热系数则随载流子数量的增大而增大。热导率包括晶格热导率κ1和载流子热导率κ2两部分,晶格热导率κ1 占总热导率的90%[3],所以为增大Z值,在复杂的体系内,最关 键的是降低晶格热导率,这是目前提高材料热电效率的主要途径。 基于以上讨论,要从根本上解决高电导而低热导这对矛盾,需要引入新的思想和开辟新的制备途径。国际热电材料研究领域已经取得了许多引人注目的成果[4～6],例如形成固溶体[7～9]或形成功能梯度式热电材料(FGM)[10～12]。 从1821年发现温差电现象以来,人们就在不断探索提高ZT值的新途径。近年来纳米技术在提高热电转化效率方面显示了光明的前景。本文将着重综述形成超晶格结构、纳米线(或纳米管)和纳米复合结构等3种纳米技术在提高热电材料转换效率上的研究现状、存在的困难及发展趋势。 1?纳米技术在研制新型热电材料中的应用现状 1.1?超晶格结构热电材料 用分子束外延(MBE)或气相沉积法制备超晶格薄膜是提高ZT值的有效方法。这类研究是用2种已知性能优异但带隙不同的热电材料形成超晶格量子阱,把载流子限制在势阱中,利用其晶