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。     

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.     

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.     

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).     

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。     

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.     

快离子导体及其应用

快离子导体是一类具有特殊结构的新型固体材料,它在传递电流的同时,又能传递物质。《快离子导体及其应用》一文介绍了快离子导体在储能、化工、分析化学和固体离子器件等方面的应用。     

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,     

高效光能转换新媒介:中空多壳层结构材料

光能的捕获和利用为环境、能源和医学等多个领域的发展提供了广阔的前景.为了实现高效的光能转换,对作为媒介的光功能材料的设计至关重要.作为一种新兴的多级微纳材料,中空多壳层结构(hollow multi-shelled structures, HoMSs)材料在光能转换领域中具有诸多优势,其高效的光捕获能力、增强的光生电荷分离能力和灵活可调的壳壁组成等结构特性都能够有效提高材料对光能的转换效率.本文从HoMSs光功能材料在光能转换过程中的优势出发,总结了其在光催化、太阳能电池和光致发光等光能转换领域中的应用研究进展,并对该领域的发展趋势进行了展望.     

对非晶态快离子导体σ-ω特性的研究

一、引言 近年来,人们对非晶态快离子导体材料做了一些实验工作和有价值的理论探讨。根据他们的工作,非晶态快离子导体的σ-ω特性一般可归纳为以下几点: 1.温度较高时,电导率随频率的增大而增大,当频率增至某值,电导率渐趋于某一恒定值。 2.当温度较低时,低频段电导率σ与频率ω几乎是无关的,当频率较高时,电导率随着频率的增加而增大。     

发现高性能硫基新“声子液体”热电材料

正[本刊讯]中国科学院上海硅酸盐研究所史迅、陈立东研究员与美国加州理工大学斯奈德(G.J.Snyder)博士合作,发现一种仅由铜和硫元素构成的新型高性能"声子液体"热电材料(Cu_(2-x)S,x0.05),其热电优值(ZT)可达1.7,用它制成的器件有望满足工业应用对环境友好的要求。2014年3月26日,该项研究成果在线发表在Advanced Materials杂志上。     

有机蒙脱石基快离子导体

快离子导体是具有异常好的离子输运性质的一类固体材料。近年来,发现一些有开放结构的天然矿物具有快离子导体的基本性质,蒙脱石就是其中的一种。我们对用天然蒙脱石进行改性处理所得的蒙脱石基快离子导体已做了一些研究工作,本文进一步报道有机改性蒙     

快离子导体及其在仪器仪表中的应用

快离子导体是一种固-液两相性的新型功能材料。为了进一步开发应用,目前国内外都在积极地探讨和研究。《快离子导体及其在仪器仪表中的应用》一文着重介绍快离子导体在仪器仪表方面广泛应用以及作者在这一方面的一些工作。     

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.     

甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸共聚物/聚氧化乙烯氢键复合物-LiClO_4体系离子电导的研究

固体电解质,或称快离子导体,是指在固态时具有熔盐或液体电解质的离子电导性的一类材料。高分子固体电解质,由于其成膜性好,易于加工,粘弹性好,能适应电池充放电过程中电极体积的变化,同时有较好的化学稳定性,因而被认为是发展全固态高能锂电池的理想电解质材料。在高分子快离子导体的母体材料中,研究最多的是聚氧化乙烯(PEO)。因为离子电导     

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。     

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     

晶化过程对非晶态快离子导体B_2O_3-0.7Li_2O-0.7LiCl电导率的影响

人们在探索有实用价值的快离子导体材料研究中,注意到非晶态有高缺陷结构、可连续改变成分、各向同性、制备简单等许多优点。     

高分子快离子导体

“材料科学”栏里介绍了两种新型材料:高分子快离子导体和机械粉末合金。《高分子快离子导体》与《机械合金化——一种崛起的粉末冶金法》两篇文章对上述材料的性质、优点以及工艺方法均作了介绍。