球磨工艺调控碲化铋基材料微结构及热电性能研究

碲化铋基化合物是室温附近性能最佳的热电材料,在余热回收以及固态制冷领域具有重要的应用价值. 其主要的制备方式是球磨法,各类参数的细微变化都可能影响材料的微结构和热电性能. 球磨时间作为重要的球磨参数既能影响粉末粒径的细化,也对材料的热电性能有所调控,因此亟需逐步分析球磨时间对晶体结构、粒径尺寸及产物热电性能的影响. 本文采用恒定的球磨转速,调节不同球磨时间制备碲化铋基材料. 通过晶体结构及粉体粒径的分析发现了晶粒对球磨时间的响应. 后续热电性能测试结果表明,增加球磨时间后粒径发生变化并导致了电子、声子输运模式的协同改变. 最终,有效提升了n型与p型碲化铋的最大ZT值,分别达到了0.91和1.11. 本研究工作系统总结了球磨工艺中关键参数对碲化铋材料微结构及热电性能的影响,为粉末冶金及热电学的交叉融合及热电转换技术的商业化应用提供了实验和理论参考.     

n型氧化物热电材料研究进展

氧化物热电材料在空气中具有较高的热稳定性和化学稳定性,在高温热电领域具有重要应用前景.与p型氧化物热电材料相比,n型材料的ZT值普遍偏低,制约了氧化物热电器件的发展.本文详细介绍了目前几种代表性n型氧化物热电材料的研究进展,分析了这几种材料的制备方法及电、热调控手段对其热电性能的影响和物理机制.在此基础上,提出了n型氧化物热电材料性能进一步优化的思路.     

Mg_3Sb_2基热电材料的研究进展

首次实现n型传导以来,无毒低成本Mg_3Sb_2基热电材料的研究便得到快速发展,有望能成为目前唯一大规模商业化的Bi_2Te_3热电化合物的替代材料。介绍了热电转化原理、Mg_3Sb_2基材料的晶体结构、电子结构及其p型、n型热电性能的研究现状。同时,简要分析了Mg_3Sb_2基材料性能优化的主要策略及其作用机制,如掺杂、固溶、晶粒尺寸调控和能带结构设计等对载流子浓度、载流子散射、迁移率和Seebeck系数等热电性能的影响机制。最后,讨论了Mg_3Sb_2基热电材料应用于发电和制冷的初步研究结果和后期热电模块应用的相关问题。     

高容量型锂离子电池硅基负极材料的研究进展

硅基负极材料由于其具有高容量而被广泛研究,该材料在充/放电过程中巨大的体积变化、低的循环寿命和初始库仑效率阻碍了其商业化应用. 本文分析了硅基负极材料的工作原理,回顾了其在脱/嵌锂过程中的晶体结构、表面/界面的变化以及提高其电化学性能的方法,讨论了锂离子电池硅基负极材料的前景.     

太阳能半导体制冷因素的研究及其性能优化

以探讨影响太阳能半导体制冷因素为主线,对太阳能半导体制冷性能进行了优化探讨.分析了太阳能半导体的应用前景和工作原理.对影响太阳能半导体制冷性能的因素包括太阳辐射强度、太阳能电池板的光电转换效率、半导体制冷热端散热方式、半导体制冷系统的设计工况、蓄电池的工作状态、半导体制冷电臂的结构以及热电材料的优值系数进行了系统分析.对太阳能半导体制冷系统提出了一些建议和优化措施.     

填充方钴矿热电材料:从单填到多填

以传统窄带半导体材料为主要对象的高性能热电材料研究近年来发展迅速并取得了明显进展.本文以含本征晶格孔洞的笼状结构CoSb3基方钴矿化合物的相关研究为主线,综述近年来热电材料的主要研究进展,并分析了杂质原子在孔洞中部分填充特性为基础的填充方钴矿化合物的结构调控、电-热输运性能协同调控、以及热电性能优化的内在物理机制及其实验实现.在本征孔洞结构的方钴矿化合物中引入部分填充的杂质原子,通过局域声子散射而显著降低晶格热导率,同时可以优化电输运性能.研究还发现这样一类特殊结构化合物的电热输运性能可以通过选择不同价态与不同局域振动频率的多种不同填充原子的组合填充而实现可以近乎独立地调控与优化,热电优值达到1.7@850K,实现了明显具有声子玻璃-电子晶体特征的一类高性能热电材料.研究工作一方面明显提高了填充方钴矿材料的热电性能,另一方面加深了相关物理机制的理解,对进一步的新热电材料体系的设计具有指导意义.     

半导体制冷技术的研究现状及发展方向

半导体制冷技术是一门以热电制冷材料为基础的新兴制冷技术.通过阅读大量文献,从热电材料、结构设计、冷热端散热方式3个方面对半导体制冷技术近年来的研究热点和成就进行了总结和论述,并指出了半导体制冷技术的发展方向.热电材料决定了优值系数Z,可以从根本上提高材料的制冷性能,但研究难度较大,发展缓慢;优化结构设计可以有效地提高制冷单元的实际性能系数,重点在于优化尺寸因子G和热电阻,缺点是实际加工工艺复杂;减小热电偶冷热端的温差有利于提高制冷量,可以大幅提高制冷系数,有效的散热方式是提高半导体制冷效率的重要因素.     

热电材料低维化的研究进展

热电材料是一种能够实现电能与热能之间直接转换的功能材料,它可提供一种既清洁又安全的发电和制冷方式,具有广泛的应用前景.近年来的理论和实验研究表明,低维化和小尺度化是热电材料研究和开发极具前景的发展方向.低维结构大大提高了费米面附近的态密度,提高了Seebeck系数;将材料的晶粒细化到纳米级别,可以增加对载流子和声子的散...     

In和Pr双填充方钴矿的电子结构及电传输性能研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了未填充型、In单填充型、In和Pr双填充型CoSb_3方钴矿热电材料的电子结构.结果表明:In和Pr双填充CoSb_3方钴矿热电材料可以较In单填充的材料进一步提升费米能级从而有更高的电导率σ,In和Pr双填充CoSb_3方钴矿热电材料导带底有In的5p和Pr的6s轨道产生的局部共振态叠加,进而使得其Seebeck系数更高.由于电导率和Seebeck系数的提升,使得In和Pr双填充能有效提高CoSb_3的功率因子.计算结果很好地解释了实验现象,阐述了双填充方式优化CoSb_3基方钴矿材料的热电性能内在物理机制.     

热电器件焊接层热电耦合应力分布特征

对热电器件焊料层的热电耦合应力特征进行了系统的研究,建立了热电发电器件单一材料和分段材料热电支腿结构的仿真模型.利用有限元软件ANSYS分析了焊料性能对热电转换效率的影响以及存两类结构边界条件下焊料层上的应力分布特征,得出了最可能的破坏位置,同时探讨了不同的材料分段对热电转换效率和焊料层可靠性的影响.所得结论对热电发电器件的优化设计和制造具有重要的指导意义.     

Mg2Si热电材料力学性能的分子动力学模拟研究:纳孔效应

在热电材料里引入纳孔能有效降低材料的热导率从而提高其热电性能,但纳米孔洞的引入也可能影响材料的力学性能。以圆柱孔理想单晶Mg_2Si块体热电材料为研究对象,建立不同孔径、孔隙率以及分布形式的纳孔Mg_2Si材料的原子模型,采用分子动力学模拟方法研究不同模型下材料的拉伸力学性能。结果表明:①纳孔的引入造成Mg_2Si热电材料的极限应力和弹性模量的降低,而纳孔孔隙率、分布形式都会影响到材料的极限应力,而材料的弹性模量主要与孔隙率有关,孔隙率越大,材料的弹性模量越低;②纳孔的引入不仅减小材料的有效荷载面积,更重要的是造成材料内部应力分布不均匀,而材料所能承受的拉伸方向的应力极限是一定的,因而当纳孔Mg_2Si热电材料平均应力远小于完整块体的极限应力时,材料内部最薄弱的地方的应力就已达到其极限应力,造成材料的破坏。     

有机无机复合温差电材料的无机掺杂剂

有机导电高分子因其低的热导率在温差电方面受到广泛的关注,但低电导率限制了其发展.掺杂无机半导体或CNT等纳米材料可有效改善有机导电高分子的热电性能.以PEDOT/PSS有机高分子为代表介绍有机无机复合温差电材料的无机掺杂剂的最新进展,并展望有机无机复合温差电材料未来的发展与应用.     

热电材料的研究进展

简要介绍了热电效应、热电材料性能评价方法,给出了评价热电材料的必要条件及改善品质因子的几种途径,系统阐述了热电材料的研究发展过程和近几年的最新研究动向.     

电化学组装一维纳米线阵列温差电材料

低维温差电材料具有比块状温差电材料更高的优值,因而研制具有纳米线阵列结构的温差电材料对于提高材料的温差电转换效率具有重要意义.以具有纳米孔阵列结构的氧化铝多孔模板为阴极,在含有Bi 3、HTeO2 1的酸性溶液中,采用直流电沉积技术,通过在氧化铝多孔模板的纳米级微孔中沉积铋和碲,实现了一维纳米线阵列铋碲温差电材料的电化学组装.环境扫描电子显微镜(ESEM)和透射电子显微镜(TEM)的分折表明,电化学组装出的铋碲纳米线分布均匀,形状规则.铋碲纳米线的组成可方便地通过调整电沉积电位加以控制.     

Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires

Approximately 90 per cent of the world's power is generated by heat engines that use fossil fuel combustion as a heat source and typically operate at 30-40 per cent efficiency, such that roughly 15 terawatts of heat is lost to the environment. Thermoelectric modules could potentially convert part of this low-grade waste heat to electricity. Their efficiency depends on the thermoelectric figure of merit ZT of their material components, which is a function of the Seebeck coefficient, electrical resistivity, thermal conductivity and absolute temperature. Over the past five decades it has been challenging to increase ZT > 1, since the parameters of ZT are generally interdependent. While nanostructured thermoelectric materials can increase ZT > 1 (refs 2-4), the materials (Bi, Te, Pb, Sb, and Ag) and processes used are not often easy to scale to practically useful dimensions. Here we report the electrochemical synthesis of large-area, wafer-scale arrays of rough Si nanowires that are 20-300 nm in diameter. These nanowires have Seebeck coefficient and electrical resistivity values that are the same as doped bulk Si, but those with diameters of about 50 nm exhibit 100-fold reduction in thermal conductivity, yielding ZT = 0.6 at room temperature. For such nanowires, the lattice contribution to thermal conductivity approaches the amorphous limit for Si, which cannot be explained by current theories. Although bulk Si is a poor thermoelectric material, by greatly reducing thermal conductivity without much affecting the Seebeck coefficient and electrical resistivity, Si nanowire arrays show promise as high-performance, scalable thermoelectric materials.     

Convergence of electronic bands for high performance bulk thermoelectrics

Thermoelectric generators, which directly convert heat into electricity, have long been relegated to use in space-based or other niche applications, but are now being actively considered for a variety of practical waste heat recovery systems-such as the conversion of car exhaust heat into electricity. Although these devices can be very reliable and compact, the thermoelectric materials themselves are relatively inefficient: to facilitate widespread application, it will be desirable to identify or develop materials that have an intensive thermoelectric materials figure of merit, zT, above 1.5 (ref. 1). Many different concepts have been used in the search for new materials with high thermoelectric efficiency, such as the use of nanostructuring to reduce phonon thermal conductivity, which has led to the investigation of a variety of complex material systems. In this vein, it is well known that a high valley degeneracy (typically ≤6 for known thermoelectrics) in the electronic bands is conducive to high zT, and this in turn has stimulated attempts to engineer such degeneracy by adopting low-dimensional nanostructures. Here we demonstrate that it is possible to direct the convergence of many valleys in a bulk material by tuning the doping and composition. By this route, we achieve a convergence of at least 12 valleys in doped PbTe(1-x)Se(x) alloys, leading to an extraordinary zT value of 1.8 at about 850 kelvin. Band engineering to converge the valence (or conduction) bands to achieve high valley degeneracy should be a general strategy in the search for and improvement of bulk thermoelectric materials, because it simultaneously leads to a high Seebeck coefficient and high electrical conductivity.     

钻井柴油发电机余热技术研究与应用

随着科学技术发展和降本增效、节能降耗的需要,根据钻井柴油发电机使用过程中能耗的组成,以及温差发电技术的优点,提出了一种针对柴油发电机的余热回收利用方式,将温差发电技术应用到钻井柴油发电机的余热回收利用中.通过对现场数据的分析,利用柴油发电机余热温差发电技术,将会在钻井过程中起到降本增效、节能降耗的作用,同时具有环保的效果,有利于在国内钻井行业的推广应用,具有良好的发展前途和广阔的市场前景.     

n型CaMnO3基氧化物热电材料研究进展

n型CaMnO3基氧化物是一种具有优异高温热电性能的n型热电材料体系,从CaMnO3基热电氧化物晶体结构、物性、电子结构、电热传输理论以及Ca位掺杂、Mn位掺杂、Ca和Mn位复合掺杂优化其电热输运性能的角度,综述了n型CaMnO3基热电氧化物的最新研究进展,给出了存在的问题和今后研究的方向.     

二芳基芴类有机/聚合物半导体材料研究进展

在众多构建有机半导体材料分子结构中,二芳基芴类半导体凭借其特殊的电子、空间、位阻以及构象结构展现出良好的商业化前景.国内外研究学者致力于二芳基芴类电致发光小分子与聚合物半导体材料的研究,大量二芳基芴类电致发光小分子与聚合物半导体材料,包括电致发光材料、载流子传输材料、磷光器件的主体材料和电存储材料等已经得到了报道.文中以作者课题组的工作为主线系统总结了二芳基芴类有机/聚合物光电材料的分子结构、性质、及其应用等方面的进展,并展望了二芳基芴类有机/聚合物半导体材料未来发展的趋势与脉络.