基本介紹
- 中文名：熱電材料
- 解釋：將熱能和電能相互轉換的功能材料
- 理論依據：塞貝克效應、珀耳帖效應
- 特點：體積小,重量輕，堅固且無噪音
套用意義,特點與熱電優值,特點,熱電優值,材料分類,提高優勢,未來展望,歷史沿革,新型材料,力學性能,
套用意義
對於遙遠的太空探測器來說，放射性同位素供熱的熱電發電器是唯一的供電系統。已被成功的套用於美國宇航局發射的“旅行者一號”和“伽利略火星探測器”等宇航器上。利用自然界溫差和工業廢熱均可用於熱電發電，它能利用自然界存在的非污染能源，具有良好的綜合社會效益。
利用帕爾帖效應製成的熱電制冷機具有機械壓縮制冷機難以媲美的優點：尺寸小、質量輕、無任何機械轉動部分，工作無噪聲，無液態或氣態介質，因此不存在污染環境的問題，可實現精確控溫，回響速度快，器件使用壽命長。還可為超導材料的使用提供低溫環境。另外利用熱電材料製備的微型元件用於製備微型電源、微區冷卻、光通信雷射二極體和紅外線感測器的調溫系統，大大拓展了熱電材料的套用領域。
因此，熱電材料是一種有著廣泛套用前景的材料，在環境污染和能源危機日益嚴重的今天，進行新型熱電材料的研究具有很強的現實意義。
特點與熱電優值
特點
製造熱電發電機或熱電致冷器的材料稱為熱電材料,是一種能實現電能與熱能互動轉變的材料。其優點如下:
（1）體積小,重量輕，堅固,且工作中無噪音;（2）溫度控制可在±0.1℃之內;（3）不必使用CFC(CFC氯氟碳類物質，氟里昂。被認為會破壞臭氣層)，不會造成任何環境污染;（4）可回收熱源並轉變成電能(節約能源)，使用壽命長，易於控制。
雖然其優點眾多，但利用熱電材料製成的裝置其效率(<10%)仍遠比傳統冰櫃或發電機小。所以若能大幅度提升這些熱電材料的效率，將對廣泛用於露營的手提式致冷器，太空套用和半導體晶片冷卻等產生相當重要的影響。家庭與工業上的冷卻將因熱電裝置無運動的部件，是堅固的，安靜的，可靠的，且避免使用會破壞臭氣層的含氯氟碳氫化合物。熱電材料需要有高導電性以避免電阻所引起電功率之損失，同時亦需具有低熱傳導係數以使冷熱兩端的溫差不會因熱傳導而改變。
熱電優值
材料的熱電效率可定義熱電優值 (Thermoelectric figure of merit) ZT來評估:
其中，S為塞貝克係數(thermoelectric power or Seebeck coefficient)，T為絕對溫度，σ為電導率，κ為導熱係數。為了有一較高熱電優值ZT，材料必須有高的塞貝克係數(S)，高的電導率與低的導熱係數。
材料分類
電熱材料的選擇可依其運作溫度分為三類：
(1)碲化鉍及其合金：這是被廣為使用於熱電致冷器的材料，其最佳運作溫度<450℃。
(2)碲化鉛及其合金：這是被廣為使用於熱電產生器的材料，其最佳運作溫度大約為1000℃。
(3)矽鍺合金：此類材料亦常套用於熱電產生器,其最佳運作溫度大約為1300℃。
隨著納米科技相關研究蓬勃發展，熱電材料套用的相關研究亦是歐美日各國在納米科技中全力發展的重點之一，不論在理論方面或實驗方面均有很大的研究空間，納米材料具有比塊材更大的界面，以及量子局限化效應，故納米結構的材料具有新的物理性質，產生新的界面與現象，這對提升ZT(熱電優值)值遭遇瓶頸的熱電材料預期應有突破性的改善，故納米科技被視為尋找高ZT值熱電材料的希望。
提高優勢
提升熱電材料ZT值的方法一般有兩種，一為提高其功率因子(S2σ)，或降低其熱傳導係數(κ)。影響功率因子的物理機制包括散射參數、能態密度、載流子遷移率及費米能級等四項。前三項一般被認為是材料的本質性質，只能依靠更好更純的樣品來改進，而實驗上能控制功率因子的物理量為通過改變摻雜濃度來調整費米能級以達到最大的S2σ值。固體材料熱傳導係數(κ)包括了晶格熱傳導係數(κL)及電子熱傳導係數(κe)，即κ=κL+κe。熱電材料之熱傳導大部份是通過晶格來傳導。晶格熱傳導係數(κL)正比於樣品定容比熱(CV)、聲速及平均自由程度等三個物理量。同樣，前二個物理量是材料的本質，無法改變。而平均自由程則隨材料中雜質或晶界的多寡而改變，納米結構的塊材之特徵在於具有納米層級或具有部份納米層級的微結構，當晶粒大小減小到納米尺寸時就會產生新的界面，此界面上的局部原子排列為短程有序，有異於一般均質晶體的長程有序狀態或是玻璃物質的無序狀態，因此材料的性質不再僅僅由晶格上原子間的作用來決定，而必須考慮界面的貢獻。
Whall和Parker首先提出二維多層膜結構。因量子井效應對熱電材料傳輸性質的影響，多屬於半導體的熱電材料，若經MBE（分子束外延）或CVD（化學氣相沉積）長成多層膜(或稱超晶格)的結構後，其能帶結構會因量子效應而使材料能隙加大，再加上膜與膜的界面亦會影響到樣品的熱傳導係數，故將熱電材料薄膜化後可預期會大幅改變其ZT值。例如,Koga研究團隊理論預測在室溫下Si(1.5nm)/Ge(2.0nm)的超晶格結構(於Si0.5Ge0.5基座)，其ZT值要比Si塊材大70倍。
除了二維的多層膜/超晶格結構外,一維的量子線結構也開始慢慢受到注意，研究者欲通過一維量子線更強的量子局限化效應來進一步提升熱電材料之ZT值。例如，將熔融的熱電材料Bi、Sb及Bi2Te3經高壓注入多孔隙材料如陽極氧化鋁或雲母，可形成直徑約8nm，長度約10m的納米線。目這些納米量子線陣列的量測都還在起步的階段。上述的二維或一維納米結構都因有基座或多孔隙材料的存在而使熱電材料熱傳導係數的測量或實際套用產生相當的困難。
綜上所述，用熱電材料製成納米線，薄膜與超晶格，確能提升熱電勢S與熱電效率，使得ZT值難以提升這一困境的突破綻露了一線曙光,亦再次帶動了全球研究熱電材料的熱潮，而且由理論或實驗方面均已證實,具有納米結構的熱電材料要比塊材有更好的熱電性質。因此，近全世界正投入大量人力、物力於熱電材料的研發上,希望能製造出高ZT值的熱電材料。
未來展望
熱電材料塞貝克效應和帕爾帖效應發現距今已有100餘年的歷史，無數的科學家已對其進行了深入而富有成效的研究和探索，取得了輝煌的成果。隨著研究的不斷深入，相信熱電材料的性能將會進一步提高，必將成為我國新材料研究領域的一個新的熱點。在今後的熱電材料研究工作中，研究重點應集中在以下幾個方面：
（2）從理論和實驗上研究材料的顯微結構、製備工藝等對其熱電性能的影響，特別是對超晶格熱電材料、納米熱電材料和熱電材料薄膜的研究，以進一步提高材料的熱電性能。
（3）對已發現的高性能材料進行理論和實驗研究，使其達到穩定的高熱電性能。
（4）加強器件的製備工藝研究，以實現熱電材料的產業化。
歷史沿革
英文：thermoelectric material
將不同材料的導體連線起來，並通入電流，在不同導體的接觸點——結點，將會吸收(或放出)熱量.1834年，法國物理學家佩爾捷(J.C.A.Peltier)發現了上述熱電效應.1838年，俄國物理學家楞次(L.Lenz)又做出了更具顯示度的實驗：用金屬鉍線和銻線構成結點，當電流沿某一方向流過結點時，結點上的水就會凝固成冰；如果反轉電流方向，剛剛在結點上凝成的冰又會立即熔化成水.
熱電效應本身是可逆的.如果把楞次實驗中的直流電源換成燈泡，當我們向結點供給熱量，燈泡便會亮起來.儘管當時的科學界對佩爾捷和楞次的發現十分重視，但發現並沒有很快轉化為套用.這是因為，金屬的熱電轉換效率通常很低.直到20世紀50年代，一些具有優良熱電轉換性能的半導體材料被發現，熱電技術(熱電製冷和熱電發電)的研究才成為一個熱門課題.
在室溫附近使用的半導體製冷材料以碲化鉍(Bi2Te3)合金為基礎.通過摻雜製成P型和N型半導體.如前所述，將一個P型柱和一個N型柱用金屬板連線起來，便構成了半導體製冷器的一個基本單元，如果在結點處的電流方向是從N型柱流向P型柱，則結點將成為製冷單元的“冷頭”(溫度為Tc)，而與直流電源連線的兩個頭將是製冷單元的“熱端”(溫度為Th).
N型半導體的費米能級EF位於禁帶的上部，P型的則位於禁帶的下部.當二者連線在一起時，它們的費米能級趨於“持平”.於是，當電流從N型流向P型時(也就是空穴從N到P；電子從P到N)，載流子的能量便會升高.因此，結點作為冷頭就會從Tc端吸熱，產生製冷效果.
佩爾捷係數，其中是單位時間內在結點處吸收的熱量，I是電流強度，Π的物理意義是，單位電荷在越過結點時的能量差.在熱電材料研究中，更容易測量的一個相關參數是澤貝克(Seebeck)係數α,，其中T是溫度.顯然，α描述單位電荷在越過結點時的熵差.
Glen Slack把上述要求歸納為“電子-晶體和聲子-玻璃”.也就是說，好的熱電材料應該具有晶體那樣的高電導和玻璃那樣的低熱導.在長程有序的晶體中，電子以布洛赫波的方式運動.剛性離子實點陣不會使傳導電子的運動發生偏轉.電阻的產生來源於電子同雜質、晶格缺陷以及熱聲子的碰撞.因此，在完善的晶體中σ可以很大.
半導體中的熱導包含兩方面的貢獻：其一由載流子(假定是電子)的定向運動引起的(κe)；其二是由於聲子平衡分布集團的定向運動(κp).根據維德曼-弗蘭茲定律，κe∝σ.人們不可能在要求大σ的同時，還要求小的κe.減小熱導的潛力在於減小κp，它與晶格的有序程度密切相關：在長程有序的晶體中，熱阻只能來源於三聲子倒逆(umklapp)過程和缺陷、邊界散射；在非晶態玻璃結構中，晶格無序大大限制了聲子的平均自由程，從而添加了對聲子的散射機制.因此，“聲子-玻璃”的熱導率κ可以很低.
以無量綱優值係數ZT來衡量熱電材料：BiSb系列適用於50—150K溫區；Bi2Te3系列適用於250—500K；PbTe系列適用於500—800K;SiGe系列適用於1100—1300K.低溫熱電器件(T≤220K)主要用於冷卻計算機晶片和紅外探測器.高溫熱電設備可將太陽能和核能轉化成電能，主用於航天探測器和海上漂浮無人監測站的供電.氟里昂製冷劑的禁用，為半導體製冷的發展提供了新的契機.1998年秋季在美國波士頓召開的材料研究學會(MRS)學術會議上，熱電材料研究再一次成為討論的熱點.
Brian Sales等研究了一類新型熱電材料，叫作填隙方鈷礦銻化物(filled skutterudite antimonides).未填隙時，材料的化學式是CoSb3(或Co4Sb12).晶體中每個Co4Sb12結構單元包含一個尺寸較大的籠形孔洞.如果將稀土原子(例如La)填入籠形孔洞，則化學式變為LaCo4Sb12.由於La原子處於相對寬鬆的空間內，它的振動幅值也較大.於是，在LaCo4Sb12中，Co4Sb12剛性骨架為材料的高電導提供了基礎，而稀土La在籠中的振動加強了對聲子的散射——減小了材料的熱導.B.Sales 的工作朝著“電子-晶體和聲子-玻璃”的方向邁出了第一步.
高壓(～2GPa)技術已經被用於改進熱電材料的性能.如果在高壓下觀察到了母材料性能的改善，人們將可以通過化學摻雜的辦法獲得類似的結構，並將它用於常壓條件下.
ZrNiSn的σ和α都很高，但它的熱導率κ並不低.或許可以通過加入第4或第5組元，增強對聲子的“質量漲落散射”，達到減小熱導的目的.
準晶的結構複雜多變，具有“聲子-玻璃”的性能.有關研究的重點是改善準晶的導電性能，將納米金屬(Ag)嵌入導電聚合物，當電流流過這種複合材料時，可以產生大的溫度梯度.對此，還沒有理論上的解釋.
有兩種低維熱電材料具有套用前景：CsBi4Te6實際上就是填隙的Bi2Te3；硒(Se)摻雜的HfTe5，在T<220K的溫區，其澤貝克係數α遠遠超出了Bi2Te3.
此外，薄膜、人工超晶格、納米碳管、Bi納米線和量子阱系統、類貓眼結構等都展現出了在改進熱電材料性能方面的潛力.
新型材料
美國GMZ Energy4月22日宣布推出一款突破性的新型材料，有助於製造新一代更加清潔、能效更高的產品。這種新型熱電材料使用了納米技術，清潔環保，能夠有效地將廢棄的熱能轉化為電能，從而為綠色消費品及工業品的發展鋪平道路，推動未來的可持續發展。
該款GMZ材料功能眾多、套用廣泛。它能最佳化電冰櫃及空調的製冷功能，並能利用汽車尾氣排放系統的熱源產生動力。由於GMZ 材料已經研發成功，並具有成本效益及易於採用等特點，因此具備商業可行性。它可以用於現今許多產品，能減少能源消耗和溫室氣體排放。
“長期以來，因為高成本和低效率，熱電材料一直未能在清潔技術中廣泛運用，但現在我們已經克服了這些問題。”GMZ Energy的CEO Mike Clary說：“該技術所能達到的效率令人倍感興奮，而GMZ Energy已經做好充分準備，於今日發布這種具備商業可行性的新材料，以促進其在日用品中的套用。”
力學性能
一般來說熱電材料的力學性能較差，以Bi2Te3為例，該材料的結構為-Te-Bi-Te-Te-Bi-Te-層狀結構，在Te-Te之間為van der Waals bonding，容易斷裂，所以BiTe材料在收到壓力時Te-Te層易產生滑移，導致斷裂，變形。這使得該材料的使用壽命以及範圍大大降低。
