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热电材料

早在1823年德国的物理学家ThomasSeebeck就在试验中上发觉，在具有温

度梯度的样品两端会失电压降，这一效应成为制造热电偶测量温度和将热能

直接转换为电能的理论基础，称为Seebeck效应.Seebeck提出了用热电材料制

成热电发电器的设想.1834年HeinrichLens又发觉将一滴水置于钿(Bi)和铀(Sb)

的接点」一，通以正向电流，水滴结成冰，通以反向电流，冰溶化成水，此效应

称为制冷效应或Peltier效应.

在此后的100多年，热电材料的争论主要是围绕金属材料进行的，由于热电

转换效率低，所以有关热电材料及热电转换装置的争论和应用始终进展缓慢.

在20世纪50年月，AbramIoe发觉，半导体材料的热电转换效应比金属材料有

数量级上的增加，采用半导体热电材料有望实现温差发电和制冷的设想，从而

在全世界范围内掀起了争论热电材料的热潮，这种争论热潮持续了数年之久，

争论和评估了大量的半导体材料，并发觉Bi-TeSb-Te系半导体材料具有良好的

热电特性[1].在此后的儿十年，由于半导体热电材料仍难以满意现实应用过程

对热电转换和制冷效率的要求，争论工作又处于低潮阶段.

直到90年月初期，随着全世界环境污染和能源危机的日益严峻，对人类可

持续进展广泛的关注，导致发达我国对新环保能源替代材料开发争论的重视和

巨额投入，采用热电材料制成的制冷和发电系统体积小重量轻；无任何机械转

动部分，工作中无噪音，不造成任何环境污染；使用寿命长，且易于掌握,由

于热电材料的这些特性使其再次成为材料科学的争论热点.近十年来，材料科

学的新进展，如材料制备工艺及分析手段的多样化，计算机模拟在材料科学中

的应用，新型先进材料的不断失，使得设计和制备新型

高性能高效率的热电材料的可能性渐渐增大.目前，围围着一种称为声子玻璃

电子晶体型热电材料(PGEC)的争论正在广泛绽开[2].这类材料因具有晶体的导

电性能和玻璃的导热性能而成为新一代前景宽阔的热电材料.从近来在热电

材料争论方面取得的这展，美国科学家Terry.M.Tritt乐观地认为在将来几

内热电材料的争论将会有惊人的突破.

§5.1热电效应和热电特性

当两种不同的导体联接构成闭合回路，且接点两端处于不同温度时，在接点

两端消失电压降，在回路中产生电流的现象称为塞贝克效应(Seebeck).这一效

应成为实现将热能直接转换为电能的理论基础.图1(a)为实现热电转化模式的

简洁示意图.当电流/通过由两种不同导体联结构成的回路时，在两接点处汲取

和放出热量的现象称为帕尔帖效应(Poitier).这一效应成为实现新概念型制冷

机械的理论基础.图1⑹为实现制冷模式的简洁示意图.

图1热电元件构成的简洁发电模式⑸和制冷模式

§5.2热电材料的新进展

开发争论新热电材料的目标在于努力提高材料的电导率温差电势的同时，

降低热导率.热电材料的性能取决于性能因子Z漪常表示为多加slk,式中3

称为Seebeck系数或温差电势，s为材料的导电率，在为导热率.as和在参量取决

于电子结构和载流子的散射，k瓜+ke,降低〃关键在于降低AL,即增加晶格点

阵对声子的散射从而降低热导率..从埋论上分析，非晶态具有低的A值.Glem

Slack提出一种新的概念材料称为声子玻璃电子晶体phononglasselectron

crystal(PGEC),也就是一种导电如晶体导热如玻璃的材料.Slack认为晶