“声子液体”热电材料研究进展

热电转换技术利用半导体材料的塞贝克效应(Seebeck effect)和帕尔贴效应(Peltier effect)可实现热能与电能的直接相互转换,是一种清洁利用能源的有效方式.快离子导体一般应用于电池材料.本文论述了近期研究中采用快离子导体的基本特性来探索高性能热电材料的研究进展,详细介绍了快离子导体的两套亚点阵结构可有效优化材料的电热输运特性,从而实现热电材料的"横波阻尼效应";提出了"声子液体"新概念,为热电材料性能优化和新热电化合物的探索提供新的思路和方向.     

低晶格热导率热电材料

热电材料能够实现热能和电能之间的直接相互转换，被视为具有广泛应用前景的清洁能源材料。热电材料的规模化应用主要受制于其较低的能量转换效率，因此提高材料的热电性能仍然是当前研究的重心。优化电输运性能和降低晶格热导率是提升热电性能的两条主要途径。相较于强关联的电导率和塞贝克系数，晶格热导率相对可以独立调控，因此如何获得低晶格热导率成为热电材料研究的热点。文章综述了利用晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷、填隙原子等降低晶格热导率的方法及其声子散射机制，并对低维、低声速、低比热等热电材料的研究进展及其具有本征低晶格热导率的机制进行了介绍。     

电热输运微观机制理解与新热电材料设计

基于材料微观理解的热电材料理论设计是热电领域的研究趋势,可以大大加快热电材料的研发速度。用三个热电材料的理论设计实例,综述了与能级简并相关的能带工程、复杂化合物中导电通道和电热输运性能独立调控,以及具有反常热导率变化的半晶态化合物等方面的研究,涵盖了电和热输运的多个方面,同时也指出了几个热电材料理论设计的未来发展方向。     

热电材料的基本原理、关键问题及研究进展

热电材料是一种利用固体中载流子(电子和空穴)运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料,在温差发电和便携式制冷等领域得到重要应用。目前,如何协调优化载流子和声子的输运性能,从而提高热电材料能量转换效率,使其在利用余热发电方面发挥更大应用价值是材料学家研究的主要目标。简要介绍了热电效应的基本原理,总结了热电材料发展中的诸多关键科学问题,从结构设计(原子结构、纳米结构以及微米结构)方面综述了近年来的主要研究成果,并强调了温差发电技术对解决当前环境污染和能源危机的重要意义。     

热电材料中自旋轨道耦合效应对电输运的影响

自旋量子效应对材料电输运性质的影响,是一个物理和材料领域的基础问题。热电材料能够实现电能和热能相互转换,其往往含有重元素,自旋轨道耦合效应对电性能的影响不容忽视。自旋轨道耦合造成的Zeeman型能带劈裂效应降低能带带边的简并度和能态密度,对热电材料的输运性质不利;而自旋熵和Rashba型自旋劈裂效应对热电性质有益,其中的Rashba自旋劈裂效应能够产生新奇的低维化电输运。拓扑绝缘体中非平庸电子结构对电输运调控提供新的方向。     

低晶格热导率热电材料

热电材料能够实现热能和电能之间的直接相互转换,被视为具有广泛应用前景的清洁能源材料。热电材料的规模化应用主要受制于其较低的能量转换效率,因此提高材料的热电性能仍然是当前研究的重心。优化电输运性能和降低晶格热导率是提升热电性能的两条主要途径。相较于强关联的电导率和塞贝克系数,晶格热导率相对可以独立调控,因此如何获得低晶格热导率成为热电材料研究的热点。文章综述了利用晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷、填隙原子等降低晶格热导率的方法及其声子散射机制,并对低维、低声速、低比热等热电材料的研究进展及其具有本征低晶格热导率的机制进行了介绍。     

多晶块材热电材料Seebeck系数的晶粒尺寸效应

基于Boltzmann输运方程, 在考虑晶界散射效应并将晶界散射作为电子输运边界条件的基础上, 建立了多晶块材热电材料的Seebeck系数的理论预测模型. 进而研究了多晶块材热电材料的Seebeck系数晶粒尺寸效应, 探讨了透射率、温度和平均自由程等对Seebeck系数的影响. 结果表明, 本文的理论模型能有效预测多晶块材热电材料的Seebeck系数的晶粒尺寸效应, 且与相关实验结果具有较好的一致性. 透射率、温度以及平均自由程等对Seebeck系数的晶粒尺寸效应也存在明显的影响.     

导电PEDOT热电材料发展简史

热电材料能够直接实现热能与电能的相互转换,是重要的新型环保能源转换材料之一.无机半导体材料是当前性能最好的热电材料,然而由于资源、性能及价格的局限而难以实现大规模工业化应用.因此,发展新型高性能热电材料已成为当前重要研究领域.导电高分子(CPs)作为一种潜在的热电材料,其研究已有三十余年,然而在2000年之前,因其性能不佳而未引起高度关注.2008年,聚3,4-二氧乙撑噻吩(PEDOT)热电优值(ZT)首次被报道超过10~(-3),为发展高性能有机热电材料带来新的曙光.此后,大量新技术和方法应用于PEDOT热电性能的改善和提高.近十年来,PEDOT的ZT值迅速从10~(-4)提高到10~(-1),使PEDOT成为最有希望的有机热电材料之一.尽管PEDOT热电材料离实际工业化应用仍有较大差距(ZT1),但依然是未来有机热电材料中可能获得重大突破的p型有机热电材料.本文简要归纳了导电PEDOT作为热电材料的优势、发展历程、性能改善的方法及其未来发展趋势.     

基于热电转换的超级电容器性能及应用研究进展

超级电容器是一种具有良好应用前景的储能器件,因具有优良的电化学性能以及可进行便捷的热电转换而被广泛应用于电子产品、汽车制造等领域.本文基于超级电容器热电转换功能,简要介绍了超级电容器的种类及工作过程中发生的热诱导效应,综述了在热电转换时超级电容器性能的研究进展.最后,总结了超级电容器在热电转换方面的应用并对其发展方向进行了展望.     

晶格素化有效提升SnSe晶体的热电性能

<正>热电材料是一种利用内部载流子输运实现热能和电能直接相互转换的功能材料^[1].其中,分别利用塞贝克效应和珀耳帖效应的温差发电和电子制冷是热电材料的两个主要应用.近年来,随着科学技术的进步和人民生活水平的逐渐提高,人们对制冷的需求量也在逐年增加.热电制冷技术具有无污染、灵活性、可靠性和轻量化等优势,     

旨在揭示物质与生命奥秘的计量谱学工程

<正>晶体衍射学、表面形貌学以及光电子声子能谱学是物质和生命科学领域的三大基本表征手段.三者之间通过化学键和处于不同能级上电子的行为密切相连.与形貌学和晶体结构学相比,电子和声子谱学可以揭示关于局域化学键-电子-物性的受激弛豫行为的关联信息,从而达到预测和控制物质的结构和性能的目的,意义更为重要和深远.例     

高性能柔性碲化铋/碳纳米管复合热电薄膜

<正>热电材料是可将热能与电能相互直接转换的绿色能源材料[1,2],其能量转换效率主要取决于材料与器件性能,不依赖于能量体系的大小,因而在微小热源的回收发电、局部"热点"的快速精确制冷等技术领域具有显著的优势,在环境温差原位发电、低品位分散式热源利用、电子器件/微系统芯片温控等领域具有重要的应用.在实际应用中,     

空心纳米线热导率和比热:理论模型构建与尺度效应分析

具有独特一维空心结构的金属纳米线,由于其优异的轴向热导率和电导率以及轻质、高强度等特点,在高性能热界面材料和热电材料制备等领域展现了潜在应用价值.然而目前空心纳米线热导率和比热理论模型欠缺,本文在综合考虑了热输运电子和声子的平均自由程,群速度和比热尺度效应的前提下,建立了空心纳米线的热导率和比热模型.基于此模型,深入探讨了空心铜纳米线热导率与长度和壁厚的依赖关系,以及其电子热导率和声子热导率与壁厚的关联关系.最后分析了空心铜纳米线热导率产生尺度效应的原因,并从载流子热输运性质层面进行了解释.研究结果表明,本文提出的理论模型可精确预测一维空心纳米线的热导率,相关系数大于90%;空心铜纳米线和实心铜纳米线的热导率随长度和壁厚的变化均表现出显著的尺度效应,且实心铜纳米线的热导率大于空心铜纳米线;实心铜纳米线的电子热导率大于空心铜纳米线,而二者的声子热导率近似相等;空心铜纳米线的声子体积热容表现出显著的尺度效应,其值最大可达到体材料的1.6倍、同尺寸实心铜纳米线的1.2倍.本文的研究进一步加深了对空心纳米线比热和热导率的理论理解,有助于推进其实际应用.     

温差电技术的研究进展

温差发电是利用热电转换材料将热能转化为电能的全静态直接发电方式, 具有设备结构紧凑、性能可靠、运行时无噪声、无磨损、无泄漏、移动灵活等优点, 有微小温差存在的情况下即可产生电势, 在军事、航天、医学、微电子领域具有重要的作用. 近几年随着能源与环境问题的日益突出和燃料电池的实用困难, 温差电作为适应范围广和符合环保的绿色能源技术吸引了越来越多的关注. 介绍了温差电技术的机理, 综述了最新研究进展和提高发电效率的途径, 并提出利用废热进行温差发电和开发温差电传感器是我国当前应该优先发展的研究方向.     

智能压电声子晶体与超材料研究现状与展望

声子晶体与超材料作为一种人工设计的新型材料或结构,具有许多独特和超常的弹性波传播特性,为机械振动的有效控制与弹性波的精准调控提供了一个崭新的研究途径与充满希望的应用机遇.然而,由于传统的声子晶体与超材料在加工制备之后不易根据实际需求重新调整其几何参数和材料属性,大大限制了其实际应用.基于压电或力-电耦合效应的智能压电声子晶体与超材料,通过调节电场即可按需调控结构的振动或波动特性,可大大拓宽传统声子晶体与超材料的应用范围.本文依据压电材料与弹性材料或结构不同的融合形式,试图将智能压电声子晶体与超材料大致分为三类:第一类为单一压电声子晶体与超材料,此类仅由单一的压电材料组成,可以外接电极也可以无外接电极;第二类为内嵌式压电/弹性复合材料型压电声子晶体与超材料,该类由压电散射体埋嵌在弹性基体中而构成,当然也可将压电材料与弹性基体的角色互换;第三类为由外贴式压电片与弹性结构组成的复合型压电声子晶体与超材料,此类将压电片外贴在弹性基体结构(杆、梁、板等)的表面.已有研究表明,相较于其他弹性波调控方式,基于压电或力-电耦合效应的智能压电声子晶体和超材料的主要优势体现在反应迅速,无须改变原有结构的固...     

锡烯的研究进展

石墨烯研究的巨大成功推动了二维晶体材料研究领域的蓬勃发展,和碳同族的Ⅳ族元素组成的具有类石墨烯结构的二维晶体材料受到了广泛的关注,其中由锡元素组成的锡烯晶体由于其优异的物理特性成为研究的热点之一.理论计算表明锡烯是一种大能隙的量子自旋霍尔效应绝缘体,还能够转化为二维的拓扑超导体.锡烯晶体在电子无耗散输运、自旋流产生、高性能热电、光电器件、拓扑量子计算等方面都具有重要的潜在应用价值.本文针对最近几年来锡烯的研究进展进行简要的综述.首先简单描述为什么锡烯晶体具有特殊的物理特性,然后介绍锡烯理论研究的进展以及最近利用分子束外延技术在锡烯晶体薄膜制备方法取得的突破,最后对今后可能的实验研究方向和内容进行了展望.     

半导体中热载流子输运的平衡方程方法

本文简略地介绍处理半导体中热载流子输运的一个解析方法——平衡方程方法.这个方法的基本思想是把多载流子系统在电场作用下的输运化为一个单粒子(质心)的经典运动加上相对运动电子在没有电场情况下的多体统计运动.输运的描述只包含几个参量(非均匀情况下是参量场)——平均漂移速度,电子温度,载流子浓度及声子占据数.它们由平衡方程完全决定.如果只考虑到电子-杂质和电子-声子相互作用的最低阶,平衡方程的数学结构十分简单:只包含一个系统的特征函数,即无外电场,也没有杂质、声子散射势时载流子的密度关联函数,从而不需要大量的数值计算就可得到强电场下的输运性质.     

光子晶体的制备与应用研究

光子晶体以其特殊的周期结构和可以对光子传播进行调控的特性被称为“光半导体”,被认为是未来光子工业的材料基础。光子晶体的制备和光学特性研究受到高度关注,并在各类光学器件、光导纤维通讯和光子计算等领域呈现广阔的应用前景。本文综述了光子晶体制备和应用研究方面近年来的主要进展。     

纳微米沟槽型图案化表面“接触引导”现象及其细胞生理效应

材料表面的拓扑结构对细胞的多种行为及生理功能有着显著影响, 其中沟槽型图案由于能够使细胞产生“接触引导”而备受关注. 本文着重介绍了由该类图案引起的“接触引导”对细胞行为及生理功能影响的研究进展. 所涉及到的内容主要包括影响该现象发生的因素及细胞行为变化和生理效应, 并讨论了“接触引导”发生的可能机制. 最后对该领域的研究趋势和潜在应用进行了展望.     

碱金属氧化物对锗碲酸盐玻璃上转换发光性能的影响

研究了Yb³⁺/Er³⁺共掺锗碲酸盐玻璃在980 nmLD抽运下的上转换发光光谱, 发现随着碱金属离子半径的增大, 上转换发光强度明显增强. 基质玻璃的Raman光谱显示: 玻璃的最大声子能量并不随碱金属氧化物之间的取代而发生变化, 表明最大声子能量并不是锗碲玻璃上转换发光强度增大的原因. 从玻璃无辐射跃迁的角度分析表明: 最大能量声子密度的降低是影响Yb³⁺/Er³⁺共掺锗碲玻璃上转换发光强度增大的主要原因.