热电材料的研究进展

【摘要】本文介绍了热电材料的研究进展，重点介绍了Half-Heusler金属间化合物、方钴矿、纳米技术和超晶格材料等新型热电材料的研究状况。

【关键词】热电材料金属间化合物超晶格材料

0 引言

热电材料又称温差电材料，是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料。随着新材料合成技术的发展以及用X射线衍射技术和计算机来研究化合物能带结构参数等新技术的出现，使得热电材料的研究日新月异。

1热电材料的研究进展

1.1 传统热电材料的研究进展

50年代，苏联的Ioffe院士提出了半导体热电理论，Ioffe及其同事从理论和实践上通过利用两种以上的半导体形成固溶体可使ZT值提高，从而发现了热电性能较高的致冷和发电材料，如Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶体合金。

Half-Heusle金属间化合物的通式为ABX，A为元素周期表左边的过渡元素（钛或钒族），B为元素周期表右边的过渡元素（铁、钴或镍族），X为主族元素（稼、锡、锑等）。Half-Heusler金属间化合物是立方MgAgAs型结构。这种材料的特点是在室温下有较高的电导率和Seebeck系数，可以达到300μV/K，在700～800K时，材料的ZT值可达到0.5～0.6，但缺点是热导率也很高（室温下为5～9W/（M・K））[2]。

Skutterudite化合物是指具有CoAs3型结构的材料，中文名为方钴矿材料，结构通式可表示为AB3，其中A为Rh、Co、Ir等金属元素，B为Sb、As、P等非金属元素。其具有复杂的立方晶体结构，如图1所示，每个单胞中存在两个大的空隙，大质量的金属原子可以填充到空隙中，形成填充方钴矿结构。填充原子在空隙中振动，对声子产生很大的散射，大幅度降低晶格热导率[3]。填充原子越小，质量越大，晶格热导率的降低就越明显。

HickslDetal[7]对Bi2Te3二维叠层状结构材料热导率的理论计算表明，随材料叠层厚度的降低，热导率大大降低，若能制成纳米厚度且各层晶体取向不同的纳米级超晶格，材料的ZT值将比块体材料提高10倍，室温下达到6.9。AnnHetal[8]有关不同晶粒尺寸的CoSb3材料的传输性能研究表明，微米级晶粒尺寸的减小可以检测出热电性能的提高。因此，制备亚微米级特别是纳米级小晶粒尺寸的多晶材料将是制备高性能热电材料的重要途径之一。

超晶格材料是由两种或两种以上不同材料薄层周期性交替生长而成。当两种材料的带隙不同时，能把载流子限制在势阱中，形成超晶格量子阱，产生不同于常规半导体的输运特性，提高了态密度。Dresselhaus的近似计算表明，随量子阱阱宽的减小，ZT值单调增大。

2结语

随着能源的日益紧缺以及环境污染的日趋严重，热电材料作为一种环保、清洁的新能源材料近年来备受关注。以Half-Heusler金属间化合物和方钴矿为代表的新型热电材料在温差发电领域具有广阔的应用前景，材料微观结构的纳米化是提高材料热电性能的重要用途之一。