块体热电材料的界面性质——对于胶体与界面科学当前观点的综述.doc

块体热电材料的界面性质——对于胶体与界面科学当前观点的综述
摘要:
我们在块体热电材料界面理解的基础上回顾了当前这方面的进展。随后我们简单的讨论了界面能够增强电子和热传导性能的机制,并且专注于新兴的方法来设计块体热电材料的纳米级晶粒和界面结构。我们重点强调(i)晶体纹理的控制,(ii)降低晶粒尺寸到纳米尺度,和(iii)纳米复合材料结构的形成。虽然这些方法都开始产生可观的性能改进,但是进一步的发展需要对热电界面的成型、稳定性和性能有本质上的理解。
关键词:热电材料、界面、晶界、晶体质感、纳米结构
目录:
简介
2. 提高热电输运性质的界面机制
3. 块体热电材料中的界面控制


. 随机纳米晶材料的热导率降低





4. 总结
简介:
热电材料在热能转换成电能和固态冷却方面都有很多应用[1-2]。虽然热电装置由于其高可靠性、移动部件的需要和能够缩放到小尺寸的能力在特殊领域的应用使得其在当前发展技术中有关键性的优势,但是这些装置的能量转换效率仍然普遍较差。如果想要将热电材料在更广泛的领域上应用尤其在影响全球能量方面,那么这些材料和装置的效率需要显著改善。
对热电材料界面性质的控制可以在应对这一挑战中发挥关键作用。在一般情况下,材料转换效率的提高需要增大Seebeck系数α,平衡低电阻率ρ和低热导率κ之间的关系。界面间相互影响这些属性,并且对于典型纳米材料的高密度可以产生很大的影响。
对于材料能量转换效率特别有用的公式是热电公式:
过去十年的结果显示,我们是能够在纳米级系统中提高zT值,通过使用界面处的声子散射来降低热导率和量子限域还有载流子散射效应来以提高功率因子α2 /ρ的值。
热电性能方面的改善已经在外延、多层的薄膜的几何形状和个别纳米结构(如纳米线)中有了应用。然而,由于许多现有和假想的的热电应用需要宏观尺寸的材料,这对于在块体材料中实现纳米结构的优势也是很重要的。对于本篇综述在这个方向的进展开始加速并且作为评语的焦点。薄膜和纳米线的热电性质的详细讨论已经在其他综述中讨论过[ 3 -5 ],并且这超出了本文的范围。
在这里我们重点讲述块体材料界面成型、结构和性质的控制和理解。从第2节开始,我们将讨论内部界面能够影响和提高热电性能的主要机制。我们的讨论比较简短,如果读者想要更全面的评论可以参阅热电纳米材料电子和声子输运的理论和机制[3、6、7 ] 。接下来,在第3节中,我们考察新兴方法来设计块体热电材料中的纳米颗粒和界面结构。我们首先考虑单相材料,就其而言,对于它的晶体织构和晶粒结构的控制是至关重要的。其次,我们回顾热电纳米复合材料,对于纳米复合材料来说在单一的块体材料中有很多相。总体而言,纳米块体热电材料开始在热电性能方面表现出很好的前景,同时指出我们需要提高对热电界面成型、稳定性和性能方面基本机理的理解。
提高热电输运性质的界面机制
通过纳米结构来提高热电材料的进展方面一直应该归功于界面的效应。在提高热电材料通过纳米结构的最新进展由于接口的有益效果。对块体材料而言,相关的界面就是晶界,晶界将相同相不同晶面取向或者不同相分开。对于薄膜和纳米线的热电材料,接触真空或大气的表面也是一个很重要的界面。热电材料的界面已经显示出能够减小热导率κ,并在一定条件下,能够提高塞贝克系数α。然而,界面也通常会增加电阻率ρ。对于常数α,提高zT的值要求当增加界面散射时对应减小的载流子的迁移率要小于相应降低的热传导率[8] 。因此,平衡界面的电性能和热性能就成为能否取得最佳热电性能的关键。
Seebeck系数可以通过界面的量子尺寸效应[9]或载流子的能量过滤效应[ 63-82 ]改变。Seebeck系数与电子状态密度N(E)和散射(弛豫)时间τ有关——莫特关系[14]
(其中v是电子的群速度) 。
量子尺寸效应可以产生电子态密度的急剧变化[9],导致在α的增强和zT值的提高。α和zT值的增加也能够在谐振杂质态的材料中出现[15] 。
或者通过影响散射机制增加能量洗漱τ(E)也将增加Seebeck系数。这导致了利用电子滤波[13,16 ]和固态热离子[10]概念的方法以提高zT值。这种能量过滤效应已经在铟镓***化物超晶格薄膜[16],和块体铅碲化铅纳米粒子[12]中证实。理论发展表明在嵌入式金属纳米夹杂物和所述半导体基体之间的能带弯曲能够产生散射能,这样能够优先散射低能量的电荷载流子,从而提高α(图1)[13]。
虽然纳米热电材料最初的提出是由于其预期增强塞贝克系数,它是散射声子和降低导热系数能力的表征