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.docx

块体热电材料界面性质——对于胶体及界面科学当前观点综述
摘要：
我们在块体热电材料界面理解基础上回顾了当前这方面进展。 随后我们简单讨论了界面能够增强电子和热传导性能机制，并且专注于新兴方法来设计块体热电材料纳米级晶粒和界面结构κ = κe + κL 。 热导率中电子成分（κe）是由于电子热运输，并且可以通过威德曼- 富兰兹定律估算，其中 κe 及电导率（ρ）相关。热导率中晶格成分（κL）是由于声子输运所致，并且对于无定形或无序材料这一项比较低。
。此处列举是掺铅（Pb）碲化铅计算，如(a)。在金属及半导体界面(b)中能带弯曲导致产生一个影响载流子弛豫时间散射势能，如(c)。 低能电子散射强烈依赖此势能，但高能电子不受影响。经允许图片转自参考文献[13]。版权归2008年美国物理协会所有。
带有界面结构由于声子散射要比电子散射强，所以是有益热电材料，因为它们能产生zT净增加。界面在散射长平均自由程电子及声子有很大作用，但是当平均左右程小于界面间距时候这种作用就几乎为零。半导体（主要是声子散射）中电子平均自由程频谱相对窄，这使得界面间距小于电子迁移率估计值显着降低[8]。如果界面对于电子传输是一个障碍（因为它可能是一个绝缘层），并且它不是唯一一个散射地点，那么它有可能改变zT值，这样对运输会有极大影响。
声子热输运平均自由程分布要比电子范围广，具有显著平均自由路径大于1μm[17]。zT值有望使界面间距低于1微米（对于SiGe和半Heusler系合金来说约200nm），但是，即使界面间距为1-10微米在预测上也就能够降低晶格热导率20％[8]。虽然声子和不同结构界面相互作用是相当复杂[6]，结果显示在降低晶格热导率中起着最重要因素仅仅是每单位体积界面面积[5] 。
在一般情况下，这些界面结构、组成和形态机制在定量水平上尚未完全明确影响。一个通用概念是理想界面将有相干结构，即能够保证晶格连续性，这样即便电子结构被打乱，但是仍然能够给声子散射留有余地。
大块温差电材料中界面控制
通常用于热电设备材料是多晶材料而不是单晶，因为多晶材料生产成本低，更容易制成需要几何形状，并且具有更好抗断裂能力。制备纳米结构大块热电材料同样需要多晶材料，并且发展了一系列微结构控制和界面控制方法，如Fig. 2所示。第一种方法将颗粒沿着有利于传输方向排列，。尽管这种方法并没有刻意地使取向朝着界面，但是晶粒取向和实际界面结构之间具有密切关系，这也是我们讨论基础。降低颗粒尺寸（）是一种最为成熟降低界面散射，从而提高热点性能方法，。确实，通过减小纳米微晶尺寸会使性能明显提升。纳米结构热电现象不止局限于单晶材料，对于一些纳米复合材料热电现象研究也引起了人们注意。-。第一种方法是通过在边界上形成第二相薄层来提高颗粒晶界性能（Fig. 2d）。第二种方法是在晶粒内部嵌入纳米量级包合物（Fig. 2e）。第三种方法是制备薄片状纳米结构从而复制已经得到测试大块多薄层热电材料效果。
利用一些具有明显晶粒和表面微结构材料来提高热电性能。（a）多晶微结构（b）晶粒沿着有利于转移方向取向排列（c）减小晶粒尺寸 (d–f)纳米复合材料(d) 纳米包覆晶粒 (e) 嵌入纳米包合物(f)薄片状/多层结构
晶体结构控制
由于在许多热电化合物，尤其是层状晶体结构化合物中，热电转换性质是高度各相异性，因此控制颗粒朝着有利于转换方向优先排列对提高热电转换性质是非常有用。
一系列方法被应用到控制热电晶体生长纹理上。最简单方法就是对初始粉末材料进行机械校准，使其产生取向。当这些粉末具有各向异性晶体形态时，在高压力下，颗粒会排列成一定取向。例如机械研磨Bi2Te3基合金粉末在在压力作用下趋于形成表面平行于（0001）晶面鳞片状。
在压力作用下机械校准法也被开发应用在一些氧化物热电材料上。辉钴矿具有分层结构，沿c轴方向上电阻率比ab面上电导率高。通过控制颗粒取向成功提高了特定方向电阻率和总功率系数。例如，Mikami等报道，多晶Ca3Co4O9经沿c轴取向后，其功率系数比未取向材料提高了6~7倍。类似地，Motohashi报到了[(Bi, Pb)
2Ba2O4±w]。
尽管晶体滑移系统在剪切力作用下将会发生转动，在大塑性形变作用下，材料仍会产生明显条理分布。虽然将材料进行塑形形变期望它能够保持热电转化特性看起来是