畢業(yè)論文----半導(dǎo)體熱電材料的應(yīng)用及研究進展(編輯修改稿)
2025-02-08 06:26 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 其聲子散射能力較強 , 因此尋找具有這類結(jié)構(gòu)的且具有較高的 Seebeck 系數(shù)的材料是熱電材料研究的必然途徑之一。事實證明 , 一些熱電性能較好的材料大部分都具備這類結(jié)構(gòu)。另外 , 為了使材料的晶體結(jié)構(gòu)更復(fù)雜化 , 可以通過摻雜或不同材料之間形成固溶體的方法來提高聲子的散射能力 , 這項工作目前正剛剛開始 , 并初步取得了一些成果 [11] 。 （ 2） 在某些具有較大孔隙的特殊結(jié)構(gòu)的熱電材料的孔隙中 , 填 入某些尺寸合適質(zhì)量較大的原子 , 由于原子可以在籠狀孔隙內(nèi)振顫 , 從而可以大大提高材料的聲子散射能力 , 使熱導(dǎo)率 降低 。目前這類工作正在具有 Skutrrudite 結(jié)構(gòu)的熱電材料中展開 [12], 并取得了重大的進展。 4 熱電材料的研究進展 自 20世紀 60年代以來 , 人們研究了許多材料的熱電性能 , 發(fā)現(xiàn)了很多有價值的半導(dǎo)體熱電材料 [13], 包括 ZnSb、 PbTe、 ( Bi, Sb)2( Te, Se) In( Sb, As, P) 、 Bi1 xSbx 等 , 其中以 ( Bi , Sb)2( Te, Se)3和 Bi1 xSbx 性能最好 , 被深入研究和廣泛應(yīng)用。近年來 , 熱電半導(dǎo)體材料又有了較大的發(fā)展，就目前看來 , 比較有應(yīng)用價值和有較好的應(yīng)用前景的熱電材料主要有以下幾種。 ( Bi, Sb)2( Te, Se)3類材料 (Bi, Sb)2 (Te, Se)3 類固溶體材料是研究最早同時也是最成熟的熱電材料 , 目前大多數(shù)電制冷元件都是采用這類材料 。 Bi2Te3 為三角晶系 , 晶胞內(nèi)原子數(shù)為 15 第 6 頁 （ 共 9 頁 ） 個 , 由于其 Seebeck 系數(shù)大并且熱導(dǎo)率較低（其熱電靈敏值 ZT=1），被公認為是最好的熱電 材料。從 60年代至今 , ZT= 1一直被人們看作熱電材料的性能極限值保持了長達 40年之久。直到最近幾年 , 幾種新型熱電材料出現(xiàn)之后 , 這一極限才被突破。最近 , Seo J, et al[14]發(fā)現(xiàn) , SbI3 摻雜可以使 Bi2Te2. 85Se0. 15材料的導(dǎo)熱系數(shù)室溫時低于 2W/k m, 并且溫度升高有較大程度的下降。因此 , 對這類材料 , 通過摻雜有可能會獲得 ZT大于 1的熱電材料。 Bi1 xSbx 材料 Bi1 xSbx 是一類六方結(jié)構(gòu)的無限固溶體材料 , 由于其具有較大的 Seebeck 系數(shù)和較低的導(dǎo)熱系數(shù)因而具有較大的 ZT 值 (室溫下 ZT小于 ) ,過去幾十年來也被廣泛研究和應(yīng)用。由于這類材料結(jié)構(gòu)簡單 , 每個晶胞內(nèi)僅有 6個原子 , 所以晶格聲子熱導(dǎo)率可調(diào)節(jié)范圍較小 , 因此 , 盡管 Bi1 xSbx 作為一種成熟的材料仍在應(yīng)用 , 但近年來有關(guān)這種材料的研究已很少見。 具有 方鈷礦 晶體結(jié)構(gòu)的熱電材料 具有 Skutterudite 晶體結(jié)構(gòu)的熱電材料，又稱為方 鈷 礦材料， Skutterudite 是CoSb3的礦物名稱，名稱為方鈷 礦，這種礦物因首先在挪威的 Skuttemde 發(fā)現(xiàn)而得名。 Skutterudite 是一類通式為 AB3的化合物 (其中 A是金屬元素，如 Ir, Co ,Rh ,Fe等 。B是 Ⅴ 族元素，如 As, Sb ,P 等 )，具有復(fù)雜的立方晶系晶體結(jié)構(gòu)，一個單位晶胞包含了 8個 AB3分子，共計 32個原子，每個晶胞內(nèi)還有 2個較大的孔隙 [15]。實驗表明 :在方鉆礦晶胞的孔隙中填入直徑較大的稀土原子時，其熱導(dǎo)率將大幅度降低。其組成公式為 RA4B12,R為稀土原子，由于 R原子可以在籠狀孔隙內(nèi)震顫，從而可以大大降低材料的聲子熱導(dǎo)率。近年來，另外一種新的思路 :即低維方鉆礦熱電材 料的研究已經(jīng)展開，但由于填充方鉆礦材料結(jié)構(gòu)和成分復(fù)雜，方鉆礦型材料低維化的制備困難很大，隨著研究工作的進一步深人，將會得到性能更優(yōu)異的熱電材料。 Zn4Sb3熱電材料 Zn4Sb3熱電材料，雖然
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