电热输运微观机制理解与新热电材料设计 - 上海大学.pdf

第 38 卷第 5 期 ■专题综述 doi:10.3969/j.issn.0253-9608.2016.05.003 * 电热输运微观机制理解与新热电材料设计 ① ② ③ ③ ② ①②† 孙永兴 ，杨炯 ，席丽丽 ，邱吴劼 ，吴立华 ，张文清 ①上海大学材料科学与工程学院，上海 200444 ；②上海大学材料基因组工程研究院，上海 200444 ；③中国科 学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室，上海200050 摘要 基于材料微观理解的热电材料理论设计是热电领域的研究趋势，可以大大加快热电材料的研发速度。用三个热电材料 的理论设计实例，综述了与能级简并相关的能带工程、复杂化合物中导电通道和电热输运性能独立调控，以及具有反常热 导率变化的半晶态化合物等方面的研究，涵盖了电和热输运的多个方面，同时也指出了几个热电材料理论设计的未来发展 方向。 关键词 热电材料；理论设计；能带简并；导电通道；半晶态 热电转换技术利用半导体材料的Seebeck效 不利于电导率的提升。另外，虽然晶格热导率相 应与Peltier效应实现热能和电能之间直接相互转 对独立于电输运参数，但是传统的降低晶格热导 化，在工业余热发电、汽车尾气废热发电、太阳 率的方法，比如固溶和复合相结构，对载流子迁 能综合利用、热电制冷与特殊电源等领域具有广 移率也有抑制作用。因此，如何打破输运参数之 ZT 间的耦合以实现电热性能相对独立的调控，一直 阔的应用前景。热电材料的性能优值 是热电 应用的关键指标，其表达式为ZT=S2σT/κ 。其中S 是热电材料物理的难题。这些提到的难题在近年 [1-3] σ 来的热电综述中均有涉及 。 为Seebeck系数(或称热电势) ； 为电导率，由载 2 n µ σ neµ S σ 输运性质微观机制的深入理解是高性能热 流子浓度 和迁移率 组成， = ； 为功率 因子，是描述材料电输运性能的一个综合性参 电材料设计的基础。从微观角度上讲，电和热的 κ κ 和晶格热导率 输运过程都包含了色散关系(如电子能带以及声 数； 为热导率，由电子热导率 e κL两部分组成。性能优良的热电材料必须有高的 子谱)和量子态之间散射这两方面贡献。根据宏 功率因子和低的热导率。由于几个热电参数之间 观输运参数与微观物理量的对应以及这些物理 相互耦合，高性能热电材料研发进展缓慢。比如 量与材料内部元素、化学键等的关系，可以从微 在常见热电材料的电输运性质优化中，电导率和 观角度针对性地提出突破输运参数之间耦合的性 Seebeck系数对体系的载流子浓度有着相反的依 能调控方法。这是传统热电实验研究无法涉及的 赖性。又比如，通过增加能带的有效质量来提高 研究模式。近年来，在热电领域涌现出了许多与 Seebeck系数，则会降低体系的载流子迁移率， 材料微观机制有关的热电材料设计的新思路及方 *国家自然科学基金、51572 167 ，上海市优秀学术带头人项目(16XD 1401100) ，上海市自 然科学基金(16ZR 1448000)和上海高校特聘教授(东方学者，编号：TP201504 1) 岗位计划资助 †通信作者，国家杰出青年科学基金获得者，研究方向：计算材料科学与能量转换/ 储存材料的微观设计。 E-mail: wqzh