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半导体热电材料的应用及研究进展 物理与电子工程学院 物理学（物理）专业 2009级 袁仲富 指导教师 田德祥 摘 要：本文首先简单介绍了热电材料的三种效应以及半导体热电材料在热电发电和制冷方面的应用，然后重点介绍半导体热电材料国内外的研究进展及其方向。 关键词：半导体热电材料；塞贝克系数；电导率；热导率；热电优值 Abstract:This paper first introduces the three effect of thermoelectric materials and semiconductor thermoelectric materials on thermoelectric power generation and refrigeration applications，and then focuses on the semiconductor thermoelectric materials at home and abroad research progress and its direction.. Key word:Semiconductor thermoelectric materials；The seebeck coefficient；Electrical conductivity；Thermal conductivity；Thermal power optimal value 1 引言 从1823年，Thoums Seebeck 发现了热电效应(即塞贝克效应[1]) ，人们开始了解热电材料，经过一百多年的研究，人们对热点材料的研究已经取得了长足的进展。20世纪50—60年代，由于人们在热能电能相互转化特别是制冷方面的迫切要求，人们研究了很多有价值的热电材料，其中有很多热电材料得到了广泛的应用。70年代以来，由于氟利昂制冷技术的发展，热电材料的研究几乎处于停顿状态。近年来，氟利昂对环境尤其是对臭氧层的破坏被人们所认识，制造无污染，无噪声的制冷机成为了制冷技术的目标。同时，随着航天技术，计算机技术，医学技术和激光技术等的研究发展，迫切需要小型，稳定的制冷设备，而热电材料以其节能长寿，工作无噪声，无污染，安全性高等优点备受人们关注。但是较为成熟的几类热电材料的热电转化率较低，除了特殊作用外不能用于一般情况。近年来，随着对热电材料的深入研究，热电材料的研究有了较大的发展并重新显示了广泛的应用前景。进入21世纪，面对严峻的能源和环境问题，相信对于热电材料的研究会为解决能源紧缺和环境污染起到重要的作用，本文的研究目的首先是让人们了解什么三种热电效应，以及热电材料在我们日常生活中和科学领域的应用，然后再介绍热电材料必威体育精装版研究进展及其方向。 2 半导体热电材料的应用 2.1 热电材料的三种效应 1821年，德国科学家塞贝克首先发现了热电材料的第一个现象——塞贝克效应。塞贝克效应是转化为电能的现象，当两个不同的导体两端相互连接组成闭合回路时，如果两个接头处于不同温度，闭合回路将会产生电流，这个闭合回路就组成了温差电偶。1833年，法国科学家佩尔捷发现了热电材料的第二个现象——佩尔捷效应。佩尔捷效应和塞贝克效应正好相反，它是把电能转化成热能的现象，当两个不同的导体连通以后，通入电流，在接头处会产生吸热和放热的现象。1850年，汤姆孙发现并建立了塞贝克效应和佩尔捷效应之间的关系，并预言了第三种热电效应——汤姆孙效应的存在，即当存在温度梯度的均匀导体中通有电流时，导体中除产生和电阻有关的焦耳热以外，还要吸收或者放出热量，这部分热量叫做汤姆孙热量[2]。 图2-1 塞贝克效应发电原理图 佩尔捷效应制冷原理图 2.2 热电材料在热电发电和制冷的应用 热电材料是一种将热能和电能直接转化的功能材料，在热电发电和制冷，恒温控制与温差测量等领域具有极为重要的应用前景。而半导体热电材料以其小巧稳定，节能长寿，工作无噪声，无污染，安全性高等优点更加备受人们关注。半导体温差发电材料用于制备温差发电机，已应用于汽车尾气处理，海岸挂灯、浮标灯、边防通讯用电源石油管道中无人中继站电源和野战携带电源以及海底探查、宇宙飞船和各类人造卫星用电源。而半导体温差致冷材料，用于制造各种类型的半导体温差致冷器，如各种小型冷冻器、恒温器、露点温度计、电子装置的冷却，以及在医学、核物理、真空技术等方面都有应用[3]。 图2-2 半导体热点材料发电和制冷的应用实例 3 提高半导体热电材料热电优值的方法 材料的热电性能一般用热电灵敏值( 又译为热电优值) Z[4]来描述: Z =S2σ/k。 其中, S 为Seebeck 系数, 又称热电系数, σ 为电导率, k 为导热系数。因为不同环境温