热电材料研究进展.ppt

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1、热电材料研究进展,研 究 生：孙 言 指导老师：蒋 俊 2011-10-27,现实意义 基本概念 研究现状 预期目标,报告内容,.热电材料研究的现实意义,1.能源短缺、环境污染、温室效应,2.应用（1）：热电制冷,针对半导体热电制冷器件，在我市慈溪、余姚等地区有很大的产业集群，如饮水机、小冰箱、酒柜等,应用（2）：热电发电,美国、德国、日本、韩国等汽车公司（GM、BMW、HONDA、大众、现代等）正在开展相关研发工作，可节省油耗5%；国内相关研究刚刚起步（上汽）,利用高聚光太阳能在基板上产生的热能发电，提高转换率；国家“973”计划、日本能源开发机构NEDO、美国DOE等均有所部署,聚光光伏太

2、阳能辅助系统,利用燃烧热、地热、体表温差等热源，为野外作业、偏远山区、小型电器、植入式医疗器械等提供电能,.热电材料及热电效应,1.什么是热电材料 热电材料（也称温差电材料，thermoelectric materials）是一种利用固体内部载流子运动，实现热能和电能直接相互转换的功能材料。,什么是热电效应 热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，包括Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应。,热电器件工作原理,Seebeck效应,Peltier效应,Cronin B V.Semiconductors are cool.Nature.2001,413:5775

3、78,热电发电,热电制冷,热电器件实物图,热电器件模型,绿色能源：体积小重量轻结构简单坚固耐用无需运动部件无磨损无噪音无污染,热电性能评价,优异热电性能：Seebeck系数大电导率高热导率低,.热电材料的研究现状,热电材料的研究进展,Chen G,et al.International Materials Reviews,2003,48(1):1-22.Venkatasubramanian,et,al.Nature(London)413,597(2001).,Seebeck现象主要是金属,Ioffe提出半导体热电理论Bi2Te3、PbTeSiGe,AgPb18SbTe20NaCoO2、Zn4S

4、b方钴矿,量子点、量子线、超晶格等 低维热电材料,（年）,1821,1949,1990,2004,0.5,1.0,2.0,ZT,1834,1855,1997,高效热电材料与器件的研发既是相关产业发展需求，也是热电材料科学技术自身发展的重大需求,学术上受到前所未有的关注,美国：未来5年研究开发计划 能源部（DOE）宇航局（NASA）国防部（DOD）日本：通产省和科学技术振兴机构（JST）热电材料与工业余热发电技术 高效热电材料与太阳能热电转换技术 欧盟：从第六框架计划（FP6）开始，将热电材料列入“可再生能源技术”予以重点支持,ZT 值：2.0转换效率h：20,目 标ZT值：2.0效率h：20,

5、热电材料科学技术相关新 能 源 技 术,重大突破,政府的关注和支持,主要的材料体系,高温,中温,低温,Bi2Te3/Sb2Te3适用于低温，在室温附近热电优值达到1（相应的热电转换效率约为78），被公认为是最好的热电材料，目前大多数热电制冷元件都是使用这类材料。,PbTe体系适用于500900 K的中温，热电优值最大可达0.8，可用于温差发电。,SiGe体系多用于900 K以上，这类具有金刚石结构的材料的晶格热导率很高，因而热电优值很低，目前只是在卫星和空间站的温差发电系统比较常用。,热电材料研究和应用的瓶颈,随着载流子浓度增加，和均增加，却减小,合适的载流子浓度，尽量降低热导率,热电优值,：

6、seebeck系数：电导率（与载流子浓度和迁移率有关）：热导率（包括声子热导和电子热导）,=ne=e/m*,k=ke+kL,掺杂：改变费米能级的位置，优化电输运性能；点缺陷（原子质量波动），增强声子散射,改善热电性能的途径,低维材料：量子限域效应（超晶格等）晶界散射：引入纳米结构（球磨、水热等）,增强声子散射，降低晶格热导率,国外研究,Dr Mildred Dresselhaus,Professors of MIT,Dr Gang Chen,Dr Z.F.Renprofessor of physics at Boston College,国外研究,Dr.Jeffrey Snyder a Fac

7、ulty at Caltech.,Mercouri KanatzidisFrom Northwest University,国内研究,陈立东教授 上海硅酸盐研究所,唐新峰教授 武汉理工大学,赵新兵教授 浙江大学,.我们的研究,Bi-Te基热电材料,Bi2Te3的优势,重金属，分子量大，seebeck系数较大层状结构，各向异性，电导与热导比值相对较大层状结构，层间有利于实施掺杂改性,影响因素 优化途径,通过成分设计与调控，优化载流子浓度，并使ZT峰值与工作温度相匹配,化学组成,显微结构,研究重点如何优化ZT值？,通过调节颗粒的尺度、形貌、定向分布，提高载流子迁移率并增强声子散射，从而提高/,晶内第二相,晶界第二相,低维结构,纳米复合结构,特殊结构,三维笼状,二维层状,特殊原子基团,50nm,湿化学法,高能球磨,原位析出,块体材料中引入纳米结构,Science(2004);Science(2008);Adv.Mater.(2009-2011);Chem.Mater.(2009-2011);Nano Letter(2009-2011),主要研究思路,ZEM-3,PPMS-9,Melting Furnace,ZM Furnace,HP Furnace,Sealing,Equipments in NIMTE,敬请指导！,