热电材料的特点和热电优值

特点

制造热电产生器或热电致冷器的材料称为热电材料，是一种将电能与热能交互转变的材料。其优点如下:

l 体积小，重量轻，坚固，且工作中无噪音;

l 温度控制可在±0。1℃之内;

l 不必使用CFC(CFC氯氟碳类物质，氟里昂。被认为会破坏臭气层)，不会造成任何环境污染;

l 可回收热源并转变成电能(节约能源)，使用寿命长，易于控制。

虽然其优点众多，但目前利用热电材料制成的装置其效率(<5%)仍远比传统冰箱或发电机小。所以若能大幅度提升这些热电材料的效率，将对广泛用于露营的手提式致冷器，太空应用和半导体晶片冷却等产生相当重要的影响。家庭与工业上的冷却将因热电装置无运动的部件，是坚固的，安静的，可靠的，且避免使用会破坏臭气层的含氯氟碳氢化合物。电热材料需要有高导电性以避免电阻所引起电功率之损失，同时亦需具有低热传导系数以使冷热两端的温差不会因热传导而改变。

热电优值

材料的热电效率可定义热电优值(Thermoelectric figure of merit)ZT来评估:

ZT=S2Tσ/K

其中，S为热电势(thermoelectric power or Seebeck coefficient)，T为温度，σ为电导率，K为热传导系数。为了有一较高热电优值ZT，材料必须有高的热电势(S)，高的电导率与低的热传导系数。

提高热电优势的方法

提升热电材料ZT值的方法一般有两种，一为提高其功率因子(S2σ)，或降低其热传导系数(K)。影响功率因子的物理机制包括散射参数、能态密度、载子移动度及费米能级等四项。前三项一般被认为是材料的本质性质，只能依靠更好更纯的样品来改进，而实验上能控制功率因子的物理量为通过改变掺杂浓度来调整费米能级以达到Zui大的S2σ值。固体材料热传导系数(K)包括了晶格热传导系数(KL)及电子热传导系数(Ke)，即K=KL+Ke。热电材料之热传导大部份是通过晶格来传导。晶格热传导系数(KL)正比于样品定容比热(CV)、声速及平均自由程等三个物理量。同样，前二个物理量是材料的本质，无法改变。而平均自由程则随材料中杂质或晶界的多寡而改变，纳米结构的块材之特征在于具有纳米层级或具有部份纳米层级的微结构，当晶粒大小减小到纳米尺寸时就会产生新的界面，此界面上的局部原子排列为短程有序，有异于一般均质晶体的长程有序状态或是玻璃物质的无序状态，因此材料的性质不再仅仅由晶格上原子间的作用来决定，而必须考虑界面的贡献。

Whall和Parker首先提出二维多层膜结构。因量子井效应对热电材料传输性质的影响，多属于半导体的热电材料，若经MB（E分子束外延）或CV（D化学气相沉积）长成多层膜(或称超晶格)的结构后，其能带结构会因量子效应而使材料能隙加大，再加上膜与膜的界面亦会影响到样品的热传导系数，故将热电材料薄膜化后可预期会大幅改变其ZT值。例如，Koga研究团队理论预测在室温下Si(1.5nm)/Ge(2.0nm)的超晶格结构(于Si0.5Ge0.5基座)，其ZT值要比Si块材大70倍。

除了二维的多层膜/超晶格结构外，Zui近一维的量子线结构也开始受到注意，研究者欲通过一维量子线更强的量子局限化效应来进一步提升热电材料之ZT值。例如，将熔融的热电材料Bi、Sb及Bi2Te3经高压注入多孔隙材料如阳极氧化铝或云母，可形成直径约8nm，长度约10m的纳米线。目前这些纳米量子线阵列的量测都还在起步的阶段。上述的二维或一维纳米结构都因有基座或多孔隙材料的存在而使热电材料热传导系数的测量或实际应用产生相当的困难。

，Zui近研究发现用热电材料制成纳米线，薄膜与超晶格，确能提升热电势S与热电效率，使得ZT值难以提升这一困境的突破绽露了一线曙光，亦再次带动了全球研究热电材料的热潮，而且由理论或实验方面均已证实，具有纳米结构的热电材料要比块材有更好的热电性质。因此，近年来全世界正投入大量人力、物力于热电材料的研发上，希望能制造出高ZT值的热电材料。

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