“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.     

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,     

填充方钴矿热电材料的研究进展

热电转换是一种新兴的清洁能源技术, 可实现热能和电能的直接转换, 提高能源的使用效率, 降低石化能源的消费比重, 减少二氧化碳的排放, 达到保护环境的目的,相关研究在国际上引起了广泛关注. 由于材料中电和热的输运强烈地耦合在一起, 难以独立调控, 热电材料的性能优值长期徘徊在1.0左右, 仅在室温制冷等若干特殊领域获得了小规模应用. 有效提高热电材料性能已成为热电转换技术工业应用与热电材料科学领域亟待解决的热点与难点.科学家G. Slack提出理想化热电材料应该具有“声子玻璃-电子晶体”的特征, 相关研究成为近年来热电材料领域最重要和最具有代表意义的方向. 一些具有孔洞结构的笼状化合物, 如方钴矿材料被认为可能有“声子玻璃-电子晶体”特性, 而得到了广泛的关注; 但该笼状化合物中与输运性能相关的诸多物理机制, 以及与“声子玻璃-电子晶体”特征之间的关联尚不清楚, 限制了对该类材料的进一步认识和性能优化.     

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。     

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.     

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。     

超分子主客体作用调控电化学熵变

<正>在生产生活中常伴随着大量低级废热的产生,如光伏、太阳能、地热、燃料电池等,其转化和再利用在应对全球能源问题方面非常有前途.在各种收集热量的方法中,热电的研究最为广泛,它是基于塞贝克效应,利用温度梯度下导电材料上产生的电压.在电化学中存在类似的效应,由温度差可以引起电极电位的变化.一些电化学热机可以通过氧化还原过程伴随的熵变化实现热量与电力的转化.     

高性能Ag-Pb-Sb-Te体系半导体热电材料的制备与性能

采用机械合金化(MA)和放电等离子烧结(SPS)方法制备了高性能的Ag-Pb-Sb-Te体系块体热电材料. 利用XRD和SEM等表征手段分析了材料的物相组成和微观结构, 详细研究了组分变化, 尤其是Pb含量的改变对Ag_0.8Pb_18+xSbTe20体系材料热电性能(包括电阻率、Seebeck系数、功率因子、热导率和热电优值等)的影响规律. 研究表明, Ag-Pb-Sb-Te体系材料的最佳组成为Ag_0.8Pb_22.5SbTe₂₀, 对应的最大热电优值为1.2(673 K).     

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.     

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。     

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。     

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.     

热驱动深度制冷循环

吸收制冷循环能利用低品位热能, 例如太阳能、地热和废热等, 具有节能和环保等一系列优点, 有着十分宽广的发展前景. 然而, 传统吸收制冷循环无法获得低的制冷温度, 这一缺陷极大地限制了吸收制冷的应用范围. 为此, 本文研究了一个综合有吸收制冷循环和压缩式自行复叠循环优点的新吸收制冷循环, 以期达到利用低品位热能获得低温的目的, 该循环采用R23 + R134a/DMF工质对. 通过新循环数学物理模型的计算表明, 在160℃发生温度下, 新循环可以获得约-62℃的制冷温度, 远低于传统基本吸收制冷循环所能获得的制冷温度. 同时, 在157℃发生温度下, 新吸收制冷系统获得了-47.3℃制冷温度, 为吸收制冷循环迄今为止获得的最低制冷温度. 理论和实验结果都证明了采用自行复叠原理的新循环能够利用低品位热能获得低的制冷温度. 新吸收制冷循环也可以为其他形式热驱动深度制冷方法提供有益的参考.     

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.     

Bi_2Sr_2Co_2O_8薄膜光探测器应用取得进展

新型氧化物热电材料铋锶钴氧(Bi2Sr2Co2O8)因其优异的热电性能近年来备受关注,目前对该材料的研究主要集中在块体样品上,而对薄膜样品的研究甚少.究其原因,主要是由于这类错配层结构氧化物的晶体结构非常复杂,很难实现单相特别是外延薄膜的生长.最近,研究人员利     

本期专题简介

<正>随着全球工业化进程的加快,世界能源短缺和枯竭已经成为每个国家不容忽视的问题,严重制约着社会长期稳定发展。研究和开发新能源已经成为全球能源发展的趋势。热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料,以其独特的性能成为一种很有发展前途的功能材料。另外,随着化学电源的广泛应用,对其安全性问题也提出了新的挑战。     

低品位热能驱动的高效热化学吸附式制冷研究

热化学吸附式制冷是一种以低品位热能驱动的节能环保型绿色制冷技术, 利用吸附剂与制冷剂之间可逆化学反应的热效应实现制冷效果. 主要介绍了热化学吸附式制冷循环技术的国内外研究现状, 在传统单效热化学吸附制冷循环的基础上, 评述了回质回热型热化学吸附制冷循环、双效热化学吸附制冷循环、多效热化学吸附制冷循环、双重热化学吸附制冷循环及基于内部回热技术的双效双重热化学吸附制冷循环等几种典型的高效吸附制冷循环技术, 并对热化学吸附式制冷技术的主要发展方向进行了阐述.     

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.     

集成吸收-压缩复合热泵的微燃机热电联产系统

针对生产蒸汽的微燃机热电联产系统的排烟温度较高的问题,本文提出集成吸收-压缩复合热泵的微燃机热电联产系统.该系统以微燃机热电联产系统排烟为驱动热源,可生产0.5 MPa的饱和蒸汽,一次能源利用率为67.3%,相对节能率为23.56%,同典型的微燃机热电联产系统进行热力学性能对比分析,一次能源利用率和相对节能率分别提高约11.2%和14.76%.该系统中增加的吸收-压缩复合热泵系统,使系统的排烟损失降低约78%.此外,还研究了发生压力、基础溶液浓度、精馏塔塔顶温度、精馏塔釜温度对吸收-压缩复合热泵系统性能的影响,为系统的实验设计提供了理论依据.本研究为微燃机热电联产系统的余热回收利用提供了新的思路和方法.