熱電材料與器件 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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陳立東劉睿恒史迅 著

圖書標籤:

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• 材料科學
• 物理學
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齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030564344

商品編碼：27178546767

包裝：平脊精裝

齣版時間：2018-03-01

字數：250000

商品參數

熱電材料與器件
	曾用價	98.00
	齣版社	科學齣版社
	版次	1
	齣版時間	2018年03月
	開本
	作者	陳立東,劉睿恒,史迅
	裝幀	平脊精裝
	頁數	0
	字數	250000
	ISBN編碼	9787030564344

內容介紹
本書比較全麵地梳理和總結瞭熱電材料與器件研究領域的基礎理論和新的發現，同時基於作者過去20餘年從事熱電材料研究所積纍的創新科研成果，並結閤國內外該領域的研究進展和相關理論，係統闡述瞭熱電材料的多尺度結構設計與性能調控策略，總結瞭器件設計集成與應用技術的*新研究成果。本書特彆注重基本物理效應與高性能熱電材料設計閤成的融閤，並且對該領域的未來發展和挑戰提齣瞭作者的基本思考，利於啓發讀者的創新思維。

目錄
目錄
序
前言
第1章 熱電轉換基本原理 1
1.1 引言 1
1.2 熱電轉換物理效應 1
1.2.1 澤貝剋效應 1
1.2.2 佩爾捷效應 3
1.2.3 湯姆孫效應 4
1.2.4 熱電效應間的關係 5
1.3 熱電轉換效率與熱電材料性能優值 6
1.3.1 熱電發電器件性能參數 7
1.3.2 熱電製冷器件性能參數 11
參考文獻 15
第2章 熱電材料性能優化策略 16
2.1 引言 16
2.2 熱電輸運基礎理論 17
2.2.1 載流子輸運的能帶模型 17
2.2.2 載流子的散射 21
2.2.3 固體材料中的熱傳導與聲子散射 22
2.2.4 因子與優異熱電材料的基本特徵 26
2.3 熱電材料性能優化典型策略 27
2.3.1 多能帶簡並 27
2.3.2 電子共振態 29
2.3.3 閤金固溶 29
2.3.4 聲子共振散射 31
2.3.5 類液態效應 32
2.4 納米結構熱電輸運理論與納米熱電材料 34
2.4.1 納米尺度的電輸運 34
2.4.2 納米尺度的熱輸運 37
2.4.3 納米晶與納米復閤熱電材料 38
參考文獻 39
第3章 熱電輸運性能的測量 43
3.1 引言 43
3.2 塊體材料熱電性能測量 43
3.2.1 電導率 43
3.2.2 澤貝剋係數 44
3.2.3 熱導率 46
3.3 薄膜材料熱電性能測量 51
3.3.1 薄膜材料熱導率測量 51
3.3.2 薄膜材料電阻率測量 54
3.3.3 薄膜材料澤貝剋係數測量 55
3.3.4 納米綫電導率和澤貝剋係數測量 58
3.3.5 納米綫熱導率測量 60
3.4 總結 62
參考文獻 62
第4章 典型熱電材料體係及其性能優化 65
4.1 引言 65
4.2 Bi2Te3基閤金 66
4.3 PbX（X=S,Se,Te）化閤物 70
4.4 矽基熱電材料 75
4.4.1 SiGe閤金 75
4.4.2 Mg2X（X= Si,Ge,Sn） 78
4.4.3 高錳矽化閤物 80
4.4.4 β-FeSi2 82
4.5 籠狀結構化閤物 85
4.5.1 方鈷礦與填充方鈷礦 85
4.5.2 籠閤物 90
4.6 快離子導體熱電材料 92
4.7 氧化物熱電材料 95
4.8 其他新興熱電材料體係 97
4.8.1 半Heusler閤金 97
4.8.2 類金剛石結構化閤物 100
參考文獻 103
第5章 低維結構及納米復閤熱電材料 110
5.1 引言 110
5.2 超晶格薄膜熱電材料的製備與性能 110
5.2.1 超晶格熱電薄膜的製備 110
5.2.2 超晶格結構的聲子輸運特徵與熱導率 112
5.2.3 超晶格的載流子輸運特徵與電性能 114
5.3 納米晶熱電薄膜材料的製備與性能 117
5.4 熱電材料納米綫的製備與結構調控 119
5.5 熱電材料納米粉體的製備 120
5.6 納米復閤熱電材料的製備與結構調控 125
5.7 典型納米復閤熱電材料的結構調控與性能優化 126
5.7.1 CoSb3基方鈷礦納米復閤材料 126
5.7.2 PbTe基材料的多尺度結構調控 128
5.8 總結 129
參考文獻 129
第6章 導電聚閤物及其納米復閤熱電材料 137
6.1 引言 137
6.2 導電聚閤物及其納米復閤材料的熱電性能調控 137
6.2.1 導電聚閤物熱電性能概述 137
6.2.2 摻雜程度調節 141
6.2.3 聚閤物分子鏈有序化 142
6.2.4 有機/無機界麵效應 146
6.2.5 電荷遷移架橋 149
6.2.6 納米插層超晶格結構 150
6.3 導電聚閤物基納米復閤熱電材料的製備方法 153
6.3.1 粉體混閤法 153
6.3.2 溶液介質混閤法 153
6.3.3 原位聚閤法 155
6.3.4 層層自組裝法 157
6.4 總結 158
參考文獻 159
第7章 熱電器件設計集成與應用 163
7.1 引言 163
7.2 熱電器件基本結構與製備方法 163
7.2.1 熱電器件基本結構與工作原理 163
7.2.2 熱電器件的典型製造工藝 165
7.3 熱電器件設計與評價 168
7.3.1 器件設計原理與方法 168
7.3.2 單級/多段器件結構設計 170
7.3.3 器件評價方法 173
7.4 界麵設計與連接技術 176
7.4.1 電極材料的選擇與電極連接技術 176
7.4.2 熱電材料/電極過渡層與界麵結構 178
7.4.3 界麵電阻和界麵熱阻的測量 180
7.5 微型熱電器件的設計與集成 182
7.5.1 微型器件基本結構與製造技術 182
7.5.2 微型熱電器件性能與優化方法 183
7.6 器件應用與服役性能 185
7.7 挑戰與展望 186
參考文獻 186
關鍵詞索引 190

在綫試讀
第1章 熱電轉換基本原理
　　1.1 引言
　　熱電能量直接轉換的第*個物理效應——澤貝剋效應*（Seebeck effect）於1821年被發現，這是一個由溫差産生熱電勢的溫差發電效應。此後經過30多年，佩爾捷效應*（Peltier effect）和湯姆孫效應*（Thomson effect）先後被發現，三者構成瞭描述熱電能量直接轉換物理效應的完整體係[1-3]。盡管澤貝剋效應與佩爾捷效應的發現均涉及由兩種不同導體組成的迴路並且均發生在不同導體的接點處，但它們都不是界麵效應，後來發展起來的固體物理學告訴我們，包括湯姆孫效應在內的三個熱電基礎物理效應均起源於導體中的載流子所攜帶能量的差異。
　　湯姆孫基於熱力學理論建立瞭三種熱電效應間的關聯性，構築瞭熱電能量相互轉換的熱力學基礎理論[3]。湯姆孫理論嚮人們揭示，具有正負澤貝剋係數的兩種導體構成的迴路（熱電偶）是一種熱引擎，它可以利用溫差發電，也可以利用電流泵浦熱能或製冷。然而，由於可逆的熱電效應總伴隨著不可逆的焦耳熱效應和熱傳導，使熱電能量轉換效率難以提高，熱電偶除瞭測量溫度的應用外，作為熱引擎並沒有實現實際應用，在相當長的一段時期，熱引擎的設計也沒有一個係統的理論來指導。直到1911年，Altenkirch第*次分析瞭熱電能量轉換效率與構成熱電臂材料間物理參數（澤貝剋係數、電導率、熱導率）之間的關係[4]，指齣提高轉換效率必須提高構成熱電臂導體材料的澤貝剋係數的絕對值和電導率，同時還需要降低兩種導體的熱導率，基本形成瞭今天我們用以判斷熱電材料性能的重要判據——熱電優值Z（figureOf merit）或無量綱熱電優值ZT（dimensionless figureOf merit）的基礎框架。
　　本章簡要闡述熱電轉換物理效應與基本原理及熱電能量轉換效率與材料物理性質的關係。
　　1.2 熱電轉換物理效應
　　1.2.1 澤貝剋效應
　　固體材料中熱能直接轉換為電能的物理現象首先由德國科學傢Thomas Johann Seebeck於1821年發現，稱為澤貝剋效應，在此後的二三十年間，科學傢全國科學技術名詞審定委員會審定正式公布的專業術語。們又先後發現佩爾捷效應和湯姆孫效應，這三種物理效應和熱焦耳效應構成瞭描述和解析熱電能量轉換過程的物理基礎。
　　Thomas Johann Seebeck在實驗中，將兩條不同的金屬導綫首尾相連形成迴路，當對其中的一個結加熱、另一個結保持低溫狀態時，發現在迴路周圍産生瞭磁場，如圖1-1（a）所示。他當時認為産生磁場的原因是溫度梯度導緻金屬被磁化，因此稱為熱磁效應（thermomagnetism）。但隨後不久，於1823年，該現象的物理解釋被Hans ChristianOersted的實驗更正。Oersted的實驗發現，這種現象起因於溫度梯度在不同材料的節點間形成瞭一個電勢差Vab，從而産生瞭迴路電流而導緻導綫周圍産生磁場，據此提齣熱電效應（thermoelectricity）的概念。但該現象是由澤貝剋首先發現而被命名為澤貝剋效應。
　　圖1-1 澤貝剋效應
　　如圖1-1（b）所示，兩種不同的導體材料a和b連接時，如果兩個接頭具有不同溫度，其中冷端溫度為T，熱端溫度為T+.T，在導體b的兩個自由端（保持相同溫度）間可以測量迴路中産生的電勢差Vab，Vab可由式（1-1）來錶達。式中，Sab為兩種導體材料的相對澤貝剋係數（differential Seebeck coefficient）；電勢差Vab具有方嚮性，取決於構成迴路的兩種材料本身的特性和溫度梯度的方嚮。規定當熱電效應産生的電流在導體a內從高溫端嚮低溫端流動時 Sab定義為正。澤貝剋係數也可稱為溫差電動勢率（thermoelectric power或Thermal EMF coefficient）。
　　澤貝剋效應的成因可通過溫度梯度下導體內電荷分布的變化作簡單解釋。如圖1-2所示，以p型半導體（空穴為多數載流子）為例，當材料處於均勻溫度場時，其內部載流子的分布（濃度、能量和速度）是均勻的，材料整體處於電中性。當導體的兩端存在溫差時，熱端（溫度）的空穴比冷端（溫度T）的空穴獲得更高的能量，在熱端形成更多的空穴，由於空穴濃度差導緻其從熱端嚮冷端擴散並在冷端堆積，形成材料內部電荷濃度的不均勻分布，從而在材料內部形成空間電場或電勢差，同時在該電勢差作用下産生一個反嚮漂移電荷流，當熱運動的電荷擴散流與內部電場産生的漂移電荷流相等時達到動態平衡，半導體兩端形成穩定的溫差電動勢V。
　　圖1-2 澤貝剋效應原理示意圖
　　對於以上描述的溫差電動勢形成過程，可以定義材料在溫度T的絕對澤貝剋係數（S）為
　　圖1-1（b）迴路中測量的相對澤貝剋係數Sab與a、b材料的絕對澤貝剋係數（Sa、Sb）間存在如下關係：
　　絕對澤貝剋係數與溫度場方嚮無關，隻與材料本身的性質有關。p型半導體中載流子是空穴，由於其熱端空穴的濃度較高，空穴從高溫端嚮低溫端擴散，形成從高溫端指嚮低溫端的溫差電動勢，根據式（1-1）～式（1-3）的定義和規定，絕對澤貝剋係數為正。相應地，n型半導體的溫差電動勢的方嚮是從低溫端指嚮高溫端的，絕對澤貝剋係數為負。通常情況下，金屬的澤貝剋係數都很小，隻有幾微伏每開，而半導體材料澤貝剋係數可達到幾十到幾百微伏每開。
　　1.2.2 佩爾捷效應
　　佩爾捷效應是澤貝剋效應的逆過程，是用電能直接泵浦熱能的現象。當在由兩個不同導體連通的迴路中通電流時，除瞭由電阻損耗産生焦耳熱外，在兩個接頭處會分彆放齣和吸收熱量（圖1-3）。這個效應由法國科學傢J.C.a.Peltier於1834年首先發現，因此稱為佩爾捷效應。他將鉍（Bi）和銻（Sb）兩種金屬綫相連接並在此迴路中通電流後發現，兩種金屬接頭處變冷使水滴結冰，如果改變電流方嚮則接頭變熱，冰被融化［圖1-3（a）］。
　　圖1-3 佩爾捷效應與機理示意圖
　　如圖1-3（c）所示，當電子在電場作用下從能級高的導體流嚮能級低的導體（對於金屬-n型半導體連接體係，電子從n型半導體流嚮金屬）時，該電子在界麵勢壘處嚮下躍遷，在宏觀上錶現為放熱；當電子從能級低的導體流嚮能級高的導體時，則會吸收一定熱量嚮上躍遷，錶現為吸熱效應。實驗錶明，單位時間吸收或者放齣的熱量與電流強度成正比，因此，當電流從a流嚮b時在a-b接頭處單位時間釋放（或吸收）的熱量可錶示為式中為電流從a流嚮b的相對佩爾捷係數（differential Peltier coefficient），單位為為時間；I為導體中通過的電流。當電流從金屬流嚮p型材料（電子從能級低的導體流嚮能級高的導體）時錶現為吸熱，相對佩爾捷係數為負；如果電流反轉，佩爾捷係數也相應發生正負反轉從而具有方嚮性，即
　　與澤貝剋係數相同，接點的相對佩爾捷係數與構成接點的兩種材料的絕對佩爾捷係數間存在如下關係：由此可見，基於佩爾捷效應可以實現熱電製冷或泵浦熱量。
　　1.2.3 湯姆孫效應
　　澤貝剋效應與佩爾捷效應的發現均涉及由兩種不同金屬組成的迴路並且均發生在不同導體的接點處，但它們都不是界麵效應，運用我們現在的知識知道它們都起源於構成接點的兩種導體的體性能，即均起源於不同導體中電子所攜帶能量的不同。熱電效應間的關聯性起初並未被人們認識到，直到1855年英國科學傢湯姆孫（WilliamThomson，後來成為 Lord Kelvin，即開爾文勛爵）開始關注到熱電效應間存在關聯，他運用熱力學理論解析澤貝剋效應和佩爾捷效應的關聯性，進而提齣在均質導體材料中必然存在第三種效應，即當電流流過一個存在溫度梯度的均勻導體時，在這段導體上除瞭發生不可逆的焦耳熱外，還會産生可逆熱量的吸收或放齣。這種效應於1867年被後人的實驗證實，稱為湯姆孫效應。
　　當沿電流方嚮上導體的溫差為.T時，則在這段導體上單位時間釋放（或吸收）的熱量可錶示為式中，為湯姆孫係數，單位為V/K。當電流方嚮與溫度梯度方嚮一緻時，若導體吸熱，則湯姆孫係數為正，反之為負。由於該錶達式與材料比熱的定義非常接近，因此湯姆孫形象地稱β為“電流的比熱”，湯姆孫效應的根源與佩爾捷效應相似，不同之處在於佩爾捷效應中的電勢差由兩種導體中不同載流子的勢能差所引起，而湯姆孫效應中的勢能差則是由同個導體中的載流子溫度梯度所引起。與前兩種效應相比較，湯姆孫效應在熱電轉換過程中對能量轉換産生的貢獻很微小，因此在熱電器件設計及能量轉換分析中常常被忽略。
　　1.2.4 熱電效應間的關係
　　澤貝剋效應、佩爾捷效應和湯姆孫效應均是導體的本徵性質，並且存在相互關聯性。湯姆孫運用熱力學理論給齣這三個參數的關係式：式（1-8）稱為開爾文關係，昀早由平衡熱力學理論近似求齣[3]，其嚴格推導需要從非可逆熱力學理論求解[5]。迄今，對眾多的金屬和半導體材料的實驗研究證實瞭上述兩個方程的正確性。對於單一導體，式（1-9）可改寫為
　　式（1-8）和式（1-9）中的澤貝剋係數和佩爾捷係數都是兩種導體的相對值，根據式（1-3）和式（1-6）可知，如果迴路中一種材料的澤貝剋係數（或佩爾捷係數）為零，另一種材料的絕對澤貝剋係數（或佩爾捷係數）便可通過測量迴路的相對澤貝剋係數（或相對佩爾捷係數）獲得。
　　超導體在其超導狀態下不産生溫差電動勢，澤貝剋係數為零。在澤貝剋係數的標定中，以金屬鉛與低溫超導體構成的電偶迴路中測量得到的相對澤貝剋係數標定為鉛的絕對澤貝剋係數，其他材料的澤貝剋係數便與鉛構成電偶迴路來測量標定。佩爾捷係數在實驗上很難測量，可以根據測量的澤貝剋係數和開爾文關係求齣材料的佩爾捷係數。另外，由式（1-10）可以進一步推導齣關係式：由此可以看齣，湯姆孫效應隻是在一種導體內的自發澤貝剋效應，雖然宏觀熱電效應錶現在接頭處，但整個效應的作用過程貫穿材料本身，因此，它們不是錶麵和界麵效應，而是體效應。目前沒有高溫下的超導材料，所以在澤貝剋係數標定測量中，隻要測量低溫澤貝剋係數，然後測量高溫湯姆孫係數便可依據式（1-11）實現高溫澤貝剋係數的標定[6,7]。
　　1.3 熱電轉換效率與熱電材料性能優值
　　熱電轉換器件一般由n型（nType）和p型（pType）的熱電材料通過熱並聯、電串聯的形式構成，其中一個n型熱電偶臂和p型熱電偶臂構成的形元件為熱電器件的的基本結構，多個形元件串聯或並聯構成熱電組件（thermoelectric module）。熱電器件的發電和製冷的工作原理如圖1-4所示。
　　圖1-4 熱電發熱器件（a）和製冷（b）的示意圖
　　根據工作環境及用途的不同，熱電器件可以設計成很多種構型，如平闆型器件、級聯疊堆器件、薄膜型器件、環型器件等。其中，平闆型器件是的為典型的熱電器件，被廣泛應用於各種發電或者製冷應用中，其基本構型如圖1-5所示。本章將以平闆式器件為基本構型，描述器件在發電和製冷過程中的熱能轉換與器件結構和材料熱電性能參數間的關聯性。在分析過程中，材料的物理參數均視為不隨溫度變化的常數，以便獲得器件性能與材料物理參數間的簡潔關係，並且假定器件中熱流單嚮流動，即熱流從高溫端通過器件的p型熱電臂和n型熱電臂流

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