Bi-Te基热电材料..doc

Bi-Te基热电材料的应用及研究进展 目录 前言…………………………… 1.1国内研究概况…………………………… 1.2国外研究概况…………………………… 1.3分析、建议及设想……………………… 小结……………………………… 参考文献………………………… Bi-Te基热电材料的应用及研究进展 前言 热电效应是由电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称,具体包括: Seebeck效应目前,热电材太空飞船 、高性能接收器和传感器此类材料的热电性能用热电优值ZT征,ZT=S2σT/κ(Z是热电优值,S是Seebeck系数,σ是电导率,κ是热导率,T是绝对温度),热电优值越大,材料的热电性能越好。若在实际中要达到应用水平,材料的ZT值必须大于1,并且要有良好的稳定性较为成熟的热电材料(7.6828×103Kg.m-3)与实验测量密度值(7.8587×103Kg.m-3)的差异。 Bi2 Te3是一种天然的层状结构材料,为三角晶系,其空间群为R23M(NO:166),晶胞参数为a=0.1395 nm,b=3.044nm,其结构如图1所示。Bi2 Te3化合物为六面层状结构,单位晶胞内原子数为15,在单胞c轴方向,Bi和Te的原子层按Te1Bi2Te22Bi2Te1方式交替循环排列。在Te1Bi2Te22Bi2Te1原子层内部的成键方式为共价键,而在Te12Te1层间为范德华力结合,层间距为0.252 nm[13,14,15],则这两个相邻Te12Te1原子层之间的弱结合为外来原子的介入提供了结构条件,而外来原子的介入又可能修饰材料的能带结构,增大费米能级附近的状态密度,从而提高材料的热电性能。 Bi2Te3材料的制备可采用区熔法和布里奇曼法。严格控制生长条件可以获得单晶体，一般则为多晶材料。Bi2Te3合金在熔点温度时化合物组分富Bi，过剩的Bi在晶格中占据Te原子位置后形成材料中的受主掺杂，因此，非掺杂Bi2Te3材料为P型。除这种化学配比偏离形成的P型材料之外，Pb、Cd、Sn等掺杂都可以作为受主掺杂剂形成P型的Bi2Te3材料，而过剩的Te或掺入I、Br、Al、Se、Li等元素和卤化物SbI3、Agl、CuBr、BII3等都能使该材料成为N型。 BiZTe3材料的晶体结构属于菱形(thombohedral)晶系，R百m空间群。沿C轴方向看，其晶体结构可视为六面体层状结构，在该结构的同一层上具有相同的原子，按“一Te一Bi一Te一Bi一Te一”5层循环排列。层内原子之间以及Bi、Te原子之间为共价键结合，但相邻两个循环之间的Te、Te原子之间是范德华键。因此BiZTe3晶体很容易沿垂直于晶体C轴的(001)面发生解理破坏。 图1.Bi-Te合金相图为BiZTe3材料的热学性质和输运特性参数。对于迁移率，是指沿平行于解理面方向的数值。有实验证明，沿垂直于解理面方向的电子迁移率是沿平行于解理面方向的数值的1/4，而沿垂直于解理面方向的空穴迁移率则是沿平行于解理面方向的数值的1/3。显然，BiZTe3材料中的迁移率的各向异性是较为明显的。BiZTe3材料在平行于解理面方向上具有最大的热电优值。 图1.Bi-Te合金相图 1.1 国外研究概况 热电材料的研究是一个古老的课题，早在1823年德国科学家Seebeek发现有温度梯度的试样两端存在一电势差，此现象称之为塞贝克效应，为后来用于测温的热电偶和热电能量转换器的应用提供了理论基础[7]。1834年，法国的帕尔帖(Peltier)做了下述实验:将一滴水滴到金属秘和锑组成的线路的接头处时，当电流通过这两种金属组成的回路时，水结成了冰。尽管帕尔帖采用了塞贝克效应为实验提供电流，但他并未意识到这一发现的本质与塞贝克效应之间的关系。直到1838年，帕尔帖现象的本质才由楞次(Lenz)给予了正确的解释。他断言:两个导体是吸热还是放热取决于流过导体的电流的方向。他进一步做了实验演示，先在接头处使水冻结成冰，随后改变电流方向，使冰解冻。上述现象就是热电致冷现象，亦称之为帕帖效应[8]。1855年，Thomson发现并建立了塞贝克效应与帕尔帖效应之间的关系，并预言了第三种温差电现象，即汤姆逊效应的存在，汤姆逊效应的存在对后来的温差电学和热力学的发展起到了极大的推动作用。在这些研究发现之上，1911年，德国的Altenkirch提出了一个令人满意的温差电制冷和发电的理论，该理论指出:较好的温差电材料必须具有大的塞贝克系数，从而保证有较明显的热电效应，同时应有较小的热导率，使能量能保持在接头附近，另外还要求电阻较小，使产生的焦耳热最小。对这几个性质的要求可由“温差电优值”(Figure of merit)描述。其定义为Z=a26/