文 献 综 述

1 热电材料的研究背景：

在以石油价格暴涨为标志的”能源危机”之后，各国科学家都在致力寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式，以达到合理有效利用工农业余热、汽车废气、地热、太阳能等能量的目的。于是，一种能量转换材料（热电材料）逐渐为人们所熟知。

热电材料（又叫温差电材料）是一种能够实现热能与电能直接相互转换的功能材料，主要用于热电发热和热电制冷。关于热电材料的研究已经有了近200多年的历史，19世纪，科学家们相继发现了三个热电效应，即Seebeck效应、Peltier效应、Thomson效应，^【1,2】开始出现热电材料的研究热潮，由于当时使用的热电材料主要是金属材料，能量转换效率较低，不能进行有效使用，这制约了热电材料的进展，人们对于热电材料的研究热情逐渐冷却。近年来，随着固体物理学的发展，以及半导体材料的深入研究和广泛应用，热电性能良好的半导体材料和半金属材料使热电效应的效率大大提高。

2 材料热电性能的影响因素：

材料的热电性能与以下三个参数有关:Seebeck系数值是保证材料有温差电效应的最根本参数;同时材料还应有较小的热导率;另外,材料还应有较小的电阻,使产生的热量损失最小，即要有较大的电导率。对这几个性能的综合要求可由热电优值Z来描述。^【5】即

Z=S²σ/κ

其中，S为Seebeck系数，σ为电导率，κ为热导率。这三个参数都是可以直接测量的物理量，并与材料内部的微观结构有直接的关系。由于不同的环境温度下材料的Z值不同，因此习惯上用Z与温度T的乘积ZT这一无量纲量来表示热电材料的性能的好坏。ZT值越高，热电性能越好，热电转换效率越高。这就需要提高Seebeck系数S和电导率σ，减小热导率κ，以此来增大热电优值。但这三个参数并非是独立的，它们都是载流子（自由电子和空穴）浓度n的函数。（可参阅附件文档图1）大致上，电导率与载流子浓度n成正比；S正好相反，当n增大时S逐渐趋于零，而n减小时S会无限增大；热导率是晶格热导率（κ_L）和电子热导率（κ_e）之和：κ = κ_L κ_e，κ_L近似与n无关，通过增加声子散射可以降低晶格热导率，κ_e与n成正比。^【7】从上可以看出，对于传统的热电材料，由于受到各种约束，其热电优值ZT增加会显得十分困难。

3 热电材料的研究方向：

20世纪90年代初期，热电材料的研究在各国政府对能源问题的重视下出现了升温，并在欧洲、日本、澳大利亚等国家重点实验室逐渐掀起研究热潮。同时，一些新型热电材料相继被发现，出现了不少ZT(热电优值)值大于1的热电材料。另一方面，一些研究机构致力于量子阱、量子线、量子点超晶格以及薄膜超晶格等低维材料的理论和实验研究，并先后报导出ZT值大于2的结果。在热电材料的研究方向上，逐步形成了新型块体材料方向和低维热电材料两个大方向。近几年来，又逐步发展出纳米复合型热电材料的概念。