新型熱電材料綜述一、本文概述隨著全球能源需求的日益增長和環(huán)境問題的日益嚴重，尋找高效、環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換和存儲技術(shù)已成為科學研究的重點。熱電材料作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的新型材料，近年來受到了廣泛的關(guān)注。本文旨在全面綜述新型熱電材料的研究進展、性能優(yōu)化以及應(yīng)用前景，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究者和技術(shù)人員提供有價值的參考。我們將對熱電材料的基本概念、原理及其分類進行簡要介紹，以便讀者對熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)有一個清晰的認識。隨后，我們將重點分析當前研究最為熱門的幾種新型熱電材料，包括其性能特點、制備方法、優(yōu)化策略等。我們還將探討新型熱電材料在能源、環(huán)保、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。我們將對新型熱電材料的研究前景進行展望，分析當前存在的挑戰(zhàn)與機遇，并提出可能的研究方向和策略。我們希望通過本文的綜述，能夠激發(fā)更多研究者對新型熱電材料的興趣，推動該領(lǐng)域的快速發(fā)展，為人類的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。二、熱電材料的發(fā)展歷程熱電材料，也稱為溫差電材料，是一類能夠?qū)崮苤苯愚D(zhuǎn)化為電能的特殊功能材料。自19世紀初熱電效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來，熱電材料經(jīng)歷了從理論探索到實際應(yīng)用，再到性能優(yōu)化的漫長發(fā)展歷程。早期的研究主要集中在金屬和合金上，這些材料雖然具有熱電效應(yīng)，但轉(zhuǎn)換效率較低，實際應(yīng)用受限。隨著科學技術(shù)的進步，20世紀中葉，研究者們開始關(guān)注半導(dǎo)體材料在熱電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用。硅基、鍺基等半導(dǎo)體材料因其較高的熱電優(yōu)值逐漸進入人們的視野，為熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。進入21世紀，熱電材料研究迎來了新的突破。一方面，納米技術(shù)的興起為熱電材料性能的提升提供了新的途徑。通過納米結(jié)構(gòu)設(shè)計，如量子點、納米線和納米復(fù)合材料等，可以有效調(diào)控材料的電子結(jié)構(gòu)和熱輸運性質(zhì)，從而優(yōu)化其熱電性能。另一方面，新型高性能熱電材料的開發(fā)也取得了顯著進展。例如，硫?qū)倩衔铩⒒\合物、氧化物等新型熱電材料不斷涌現(xiàn)，它們在高溫和低溫領(lǐng)域均展現(xiàn)出了優(yōu)異的熱電性能。近年來，隨著全球能源危機和環(huán)境問題的日益嚴峻，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)作為一種綠色、可再生的能源轉(zhuǎn)換方式受到了廣泛關(guān)注。研究者們正致力于開發(fā)更高效、更穩(wěn)定、更環(huán)保的新型熱電材料，以滿足日益增長的能源需求和環(huán)境保護要求。隨著計算模擬和先進表征技術(shù)的發(fā)展，熱電材料的性能預(yù)測和設(shè)計能力也得到了大幅提升，這為熱電材料的未來發(fā)展提供了有力支撐。熱電材料的發(fā)展歷程經(jīng)歷了從金屬到半導(dǎo)體，再到新型高性能材料的轉(zhuǎn)變。隨著科學技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用需求的不斷提升，熱電材料的研究和發(fā)展仍將繼續(xù)深入，其在能源轉(zhuǎn)換和環(huán)境保護領(lǐng)域的應(yīng)用前景也將更加廣闊。三、新型熱電材料的分類與特性新型熱電材料，作為能量轉(zhuǎn)換和環(huán)保技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，近年來受到了廣泛的關(guān)注和研究。這些材料通過熱電效應(yīng)，即熱能和電能之間的直接轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了能源的高效利用。新型熱電材料可以根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的不同，大致分為以下幾類，并各自具有獨特的特性。半導(dǎo)體熱電材料：這類材料主要通過電子和空穴的傳輸來產(chǎn)生熱電效應(yīng)。其優(yōu)點包括較高的熱電優(yōu)值（ZT值）和良好的穩(wěn)定性。然而，半導(dǎo)體熱電材料的制備成本較高，且在某些極端環(huán)境下性能可能受到影響。金屬熱電材料：金屬熱電材料以其優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性而著名。這類材料通常具有較高的熱電優(yōu)值，但也可能面臨機械強度不足和耐腐蝕性差的問題。納米復(fù)合熱電材料：納米復(fù)合熱電材料通過納米尺度的結(jié)構(gòu)設(shè)計，旨在提高熱電性能。這類材料通常具有較高的熱電優(yōu)值和較好的穩(wěn)定性，但制備工藝相對復(fù)雜。高分子熱電材料：高分子熱電材料以其輕質(zhì)、可塑性和良好的環(huán)境穩(wěn)定性而受到關(guān)注。盡管其熱電優(yōu)值相對較低，但通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，有望在未來實現(xiàn)更高的性能。新型熱電材料在分類和特性上呈現(xiàn)出多樣化的特點。各類材料各有優(yōu)缺點，適用于不同的應(yīng)用場景。隨著科學技術(shù)的進步，我們有望看到更多高性能、低成本的新型熱電材料問世，為能源轉(zhuǎn)換和環(huán)保技術(shù)的發(fā)展提供有力支持。四、新型熱電材料的制備技術(shù)與工藝新型熱電材料的性能往往與其微觀結(jié)構(gòu)和組成元素緊密相關(guān)，因此，掌握并優(yōu)化其制備技術(shù)與工藝對于提升熱電性能至關(guān)重要。近年來，隨著納米技術(shù)、薄膜技術(shù)、高溫合成技術(shù)等的發(fā)展，新型熱電材料的制備技術(shù)與工藝得到了極大的提升。納米技術(shù)是新型熱電材料制備的重要方法之一。通過納米化技術(shù)，可以有效控制材料的晶粒尺寸、形狀和分布，從而提高材料的熱電性能。例如，利用納米粉末冶金技術(shù)制備的熱電材料，由于納米級的晶粒尺寸和高的比表面積，可以顯著提高材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。薄膜技術(shù)也是新型熱電材料制備的重要手段。通過物理氣相沉積、化學氣相沉積、分子束外延等技術(shù)，可以在基底上制備出高質(zhì)量的熱電薄膜。薄膜技術(shù)可以精確控制材料的成分、結(jié)構(gòu)和形貌，從而實現(xiàn)熱電性能的優(yōu)化。高溫合成技術(shù)是一種重要的制備技術(shù)，尤其適用于高溫下穩(wěn)定的熱電材料。通過高溫合成，可以獲得高純度、高結(jié)晶度的熱電材料，從而提高其熱電性能。除了上述幾種主要的制備技術(shù)外，還有一些其他的制備技術(shù)，如熔融紡絲法、溶膠-凝膠法、自蔓延高溫合成法等，也被廣泛應(yīng)用于新型熱電材料的制備。總結(jié)起來，新型熱電材料的制備技術(shù)與工藝對于實現(xiàn)材料的高性能化和應(yīng)用化至關(guān)重要。未來，隨著新材料和新技術(shù)的發(fā)展，我們有理由相信，新型熱電材料的制備技術(shù)與工藝將會得到更大的發(fā)展和優(yōu)化。五、新型熱電材料的應(yīng)用領(lǐng)域與市場分析隨著全球?qū)稍偕茉春铜h(huán)保技術(shù)的需求日益增長，新型熱電材料作為一種高效、環(huán)保的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景日益廣闊。廢熱回收：工業(yè)生產(chǎn)和汽車尾氣等產(chǎn)生的廢熱，通過熱電材料可以轉(zhuǎn)換為電能，提高能源利用效率。空間探測：在太空環(huán)境中，熱電材料可以利用太陽輻射與宇宙背景之間的溫差產(chǎn)生電能，為航天器提供持久穩(wěn)定的電源。微納電子器件：在微型電子設(shè)備中，熱電材料可用于熱電偶和溫度傳感器等，提高設(shè)備性能和可靠性。生物醫(yī)學：熱電材料可用于制作微型溫度計和生物傳感器，用于實時監(jiān)測生物體內(nèi)的溫度變化和生物化學反應(yīng)。隨著全球?qū)?jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的重視，新型熱電材料市場呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢。據(jù)預(yù)測，未來幾年內(nèi)，新型熱電材料市場將保持較高的增長率。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，廢熱回收和空間探測將是新型熱電材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域。隨著工業(yè)生產(chǎn)和汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，廢熱回收市場的需求將持續(xù)增長。同時，隨著航天技術(shù)的不斷進步，空間探測領(lǐng)域?qū)犭姴牧系男枨笠矊⒅鸩皆黾印Ｔ诘貐^(qū)分布方面，北美和歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)將是新型熱電材料的主要消費市場。這些地區(qū)的環(huán)保意識和經(jīng)濟發(fā)展水平較高，對新型熱電材料的需求較大。同時，隨著亞洲等新興市場的快速發(fā)展，未來這些地區(qū)也將成為新型熱電材料的重要消費市場。在競爭格局方面，目前新型熱電材料市場還處于發(fā)展初期，市場上的主要參與者包括一些科研機構(gòu)和初創(chuàng)企業(yè)。隨著市場的不斷擴大和技術(shù)的不斷進步，預(yù)計未來將有更多的企業(yè)加入到這個市場中來，市場競爭也將更加激烈。新型熱電材料作為一種高效、環(huán)保的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，市場前景廣闊。未來隨著技術(shù)的不斷進步和市場的不斷擴大，新型熱電材料將在能源轉(zhuǎn)換和環(huán)保領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。六、新型熱電材料的挑戰(zhàn)與展望盡管新型熱電材料在能源轉(zhuǎn)換和環(huán)保領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力和應(yīng)用價值，但其發(fā)展仍面臨一系列挑戰(zhàn)。新型熱電材料的制備工藝復(fù)雜，成本高，難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。這限制了其在實際應(yīng)用中的普及和推廣。新型熱電材料的性能優(yōu)化仍面臨諸多難題，如提高熱電轉(zhuǎn)換效率、增強材料穩(wěn)定性和耐久性等。對于新型熱電材料的基礎(chǔ)理論研究尚不夠深入，對于其性能調(diào)控和優(yōu)化的機制理解還不夠透徹，這制約了其在更高層次上的應(yīng)用和發(fā)展。展望未來，新型熱電材料的研究和發(fā)展將朝著以下幾個方向努力。一是探索更高效的制備工藝，降低生產(chǎn)成本，推動新型熱電材料的規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用。二是加強基礎(chǔ)理論研究，深入理解新型熱電材料的性能調(diào)控和優(yōu)化機制，為材料的進一步改進提供理論支撐。三是拓展新型熱電材料的應(yīng)用領(lǐng)域，如將其應(yīng)用于汽車尾氣回收、工業(yè)余熱利用等領(lǐng)域，實現(xiàn)能源的高效利用和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。四是加強跨學科合作，結(jié)合材料科學、物理學、化學等多個學科的知識和方法，共同推動新型熱電材料的發(fā)展。新型熱電材料作為一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型能源材料，其研究和發(fā)展對于推動能源轉(zhuǎn)換和環(huán)保領(lǐng)域的進步具有重要意義。盡管目前仍面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著科學技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，相信新型熱電材料將會在未來實現(xiàn)更大的突破和發(fā)展。七、結(jié)論隨著全球能源需求的不斷增長和環(huán)保意識的日益加強，新型熱電材料的研究與發(fā)展顯得尤為重要。本文綜述了近年來在新型熱電材料領(lǐng)域的研究進展，涵蓋了材料類型、性能優(yōu)化和應(yīng)用前景等多個方面。在材料類型方面，我們詳細介紹了熱電材料的分類，包括傳統(tǒng)熱電材料和新型熱電材料。傳統(tǒng)熱電材料如BizTe3和PbTe等雖然性能穩(wěn)定，但受限于環(huán)保和成本等問題，新型熱電材料如氧化物、硫化物、氯化物等逐漸受到關(guān)注。這些新型材料不僅具有優(yōu)異的熱電性能，而且環(huán)保、成本低廉，具有廣闊的應(yīng)用前景。在性能優(yōu)化方面，我們通過綜述不同材料的熱電性能參數(shù)，如塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等，探討了提高熱電優(yōu)值的有效途徑。包括納米化、復(fù)合化、摻雜等策略都能有效提高材料的熱電性能。這些策略的應(yīng)用，為新型熱電材料的進一步優(yōu)化提供了理論支持和實踐指導(dǎo)。在應(yīng)用前景方面，新型熱電材料在能源轉(zhuǎn)換和環(huán)保領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。如在溫差發(fā)電、固態(tài)制冷、廢熱回收等領(lǐng)域，新型熱電材料都展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。隨著材料性能的不斷提升和制備技術(shù)的日益成熟，相信未來新型熱電材料將在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。新型熱電材料作為一種高效、環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換材料，其研究與發(fā)展對于推動能源轉(zhuǎn)型和環(huán)保事業(yè)具有重要意義。未來，我們期待在新型熱電材料的性能優(yōu)化和應(yīng)用研究方面取得更多突破，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標貢獻力量。參考資料：隨著人們對環(huán)境保護意識的增強，尋找一種能夠在自然界中降解的材料成為了研究的熱點。聚乳酸（PLA）作為一種新型的生物降解材料，因其具有良好的生物相容性和可降解性，在醫(yī)療、包裝、紡織等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文將對聚乳酸的合成、性能、應(yīng)用及發(fā)展前景進行綜述。聚乳酸的合成通常采用丙交酯開環(huán)聚合得到。丙交酯可通過乳酸的分子內(nèi)酯化及精制得到。在聚合過程中，通過控制聚合溫度、壓力、催化劑種類和濃度等條件，可以得到不同分子量及性質(zhì)的聚乳酸。聚乳酸具有良好的生物相容性和可降解性，在適當?shù)臈l件下可在自然界中被微生物分解為水和二氧化碳。聚乳酸還具有優(yōu)良的機械性能，如高強度、高模量、低溫柔韌性等，使其在醫(yī)療、包裝、紡織等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。醫(yī)療領(lǐng)域：聚乳酸由于具有良好的生物相容性和可降解性，可用于制作手術(shù)縫合線、骨釘、藥物載體等。包裝領(lǐng)域：由于聚乳酸可完全降解，可替代傳統(tǒng)的塑料包裝材料，如食品包裝、化妝品包裝等。紡織領(lǐng)域：聚乳酸可用于制作環(huán)保型纖維、無紡布等，具有優(yōu)良的舒適性和抗菌性能。隨著人們對環(huán)保意識的提高和技術(shù)的不斷進步，聚乳酸作為一種新型的生物降解材料，其應(yīng)用前景十分廣闊。未來，隨著聚乳酸生產(chǎn)成本的降低和性能的不斷提高，其在更多領(lǐng)域?qū)⒌玫綉?yīng)用。同時，通過與其他材料的復(fù)合或改性，可進一步拓展聚乳酸的應(yīng)用范圍。聚乳酸作為一種具有良好生物相容性和可降解性的材料，在醫(yī)療、包裝、紡織等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。未來隨著技術(shù)的不斷進步和生產(chǎn)成本的降低，聚乳酸的應(yīng)用前景將更加廣闊。因此，深入研究聚乳酸的性能和制備技術(shù)，提高其降解效率和降低成本，對于推廣聚乳酸的應(yīng)用具有重要意義。熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，1821年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)和1834年發(fā)現(xiàn)的珀耳帖效應(yīng)為熱電能量轉(zhuǎn)換器和熱電制冷的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。隨著空間探索興趣的增加、應(yīng)用物理學的進展以及在地球難于日益增加的資源考察與探索活動，需要開發(fā)一類能夠自身供能且無需照看的電源系統(tǒng)，熱電發(fā)電對這些應(yīng)用尤其合適。對于遙遠的太空探測器來說，放射性同位素供熱的熱電發(fā)電器是的供電系統(tǒng)。已被成功的應(yīng)用于美國宇航局發(fā)射的“旅行者一號”和“伽利略火星探測器”等宇航器上。利用自然界溫差和工業(yè)廢熱均可用于熱電發(fā)電，它能利用自然界存在的非污染能源，具有良好的綜合社會效益。利用帕爾帖效應(yīng)制成的熱電制冷機具有機械壓縮制冷機難以媲美的優(yōu)點：尺寸小、質(zhì)量輕、無任何機械轉(zhuǎn)動部分，工作無噪聲，無液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)，因此不存在污染環(huán)境的問題，可實現(xiàn)精確控溫，響應(yīng)速度快，器件使用壽命長。還可為超導(dǎo)材料的使用提供低溫環(huán)境。另外利用熱電材料制備的微型元件用于制備微型電源、微區(qū)冷卻、光通信激光二極管和紅外線傳感器的調(diào)溫系統(tǒng)，大大拓展了熱電材料的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，熱電材料是一種有著廣泛應(yīng)用前景的材料，在環(huán)境污染和能源危機日益嚴重的今天，進行新型熱電材料的研究具有很強的現(xiàn)實意義。制造熱電發(fā)電機或熱電致冷器的材料稱為熱電材料,是一種能實現(xiàn)電能與熱能交互轉(zhuǎn)變的材料。其優(yōu)點如下:（1）體積小,重量輕，堅固,且工作中無噪音;（2）溫度控制可在±1℃之內(nèi);（3）不必使用CFC(CFC氯氟碳類物質(zhì)，氟里昂。被認為會破壞臭氣層)，不會造成任何環(huán)境污染;（4）可回收熱源并轉(zhuǎn)變成電能(節(jié)約能源)，使用壽命長，易于控制。雖然其優(yōu)點眾多，但利用熱電材料制成的裝置其效率(＜10%)仍遠比傳統(tǒng)冰箱或發(fā)電機小。所以若能大幅度提升這些熱電材料的效率，將對廣泛用于露營的手提式致冷器，太空應(yīng)用和半導(dǎo)體晶片冷卻等產(chǎn)生相當重要的影響。家庭與工業(yè)上的冷卻將因熱電裝置無運動的部件，是堅固的，安靜的，可靠的，且避免使用會破壞臭氣層的含氯氟碳氫化合物。熱電材料需要有高導(dǎo)電性以避免電阻所引起電功率之損失，同時亦需具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)以使冷熱兩端的溫差不會因熱傳導(dǎo)而改變。材料的熱電效率可定義熱電優(yōu)值(Thermoelectricfigureofmerit)ZT來評估:其中，S為塞貝克系數(shù)(thermoelectricpowerorSeebeckcoefficient)，T為絕對溫度，σ為電導(dǎo)率，κ為導(dǎo)熱系數(shù)。為了有一較高熱電優(yōu)值ZT，材料必須有高的塞貝克系數(shù)(S)，高的電導(dǎo)率與低的導(dǎo)熱系數(shù)。(1)碲化鉍及其合金：這是被廣為使用于熱電致冷器的材料，其最佳運作溫度＜450℃。(2)碲化鉛及其合金：這是被廣為使用于熱電產(chǎn)生器的材料，其最佳運作溫度大約為1000℃。(3)硅鍺合金：此類材料亦常應(yīng)用于熱電產(chǎn)生器,其最佳運作溫度大約為1300℃。隨著納米科技相關(guān)研究蓬勃發(fā)展，熱電材料應(yīng)用的相關(guān)研究亦是歐美日各國在納米科技中全力發(fā)展的重點之一，不論在理論方面或?qū)嶒灧矫婢泻艽蟮难芯靠臻g，納米材料具有比塊材更大的界面，以及量子局限化效應(yīng)，故納米結(jié)構(gòu)的材料具有新的物理性質(zhì)，產(chǎn)生新的界面與現(xiàn)象，這對提升ZT(熱電優(yōu)值)值遭遇瓶頸的熱電材料預(yù)期應(yīng)有突破性的改善，故納米科技被視為尋找高ZT值熱電材料的希望。提升熱電材料ZT值的方法一般有兩種，一為提高其功率因子(S2σ)，或降低其熱傳導(dǎo)系數(shù)(κ)。影響功率因子的物理機制包括散射參數(shù)、能態(tài)密度、載流子遷移率及費米能級等四項。前三項一般被認為是材料的本質(zhì)性質(zhì)，只能依靠更好更純的樣品來改進，而實驗上能控制功率因子的物理量為通過改變摻雜濃度來調(diào)整費米能級以達到最大的S2σ值。固體材料熱傳導(dǎo)系數(shù)(κ)包括了晶格熱傳導(dǎo)系數(shù)(κL)及電子熱傳導(dǎo)系數(shù)(κe)，即κ=κL+κe。熱電材料之熱傳導(dǎo)大部份是通過晶格來傳導(dǎo)。晶格熱傳導(dǎo)系數(shù)(κL)正比于樣品定容比熱(CV)、聲速及平均自由程度等三個物理量。同樣，前二個物理量是材料的本質(zhì)，無法改變。而平均自由程則隨材料中雜質(zhì)或晶界的多寡而改變，納米結(jié)構(gòu)的塊材之特征在于具有納米層級或具有部份納米層級的微結(jié)構(gòu)，當晶粒大小減小到納米尺寸時就會產(chǎn)生新的界面，此界面上的局部原子排列為短程有序，有異于一般均質(zhì)晶體的長程有序狀態(tài)或是玻璃物質(zhì)的無序狀態(tài)，因此材料的性質(zhì)不再僅僅由晶格上原子間的作用來決定，而必須考慮界面的貢獻。Whall和Parker首先提出二維多層膜結(jié)構(gòu)。因量子井效應(yīng)對熱電材料傳輸性質(zhì)的影響，多屬于半導(dǎo)體的熱電材料，若經(jīng)MBE（分子束外延）或CVD（化學氣相沉積）長成多層膜(或稱超晶格)的結(jié)構(gòu)后，其能帶結(jié)構(gòu)會因量子效應(yīng)而使材料能隙加大，再加上膜與膜的界面亦會影響到樣品的熱傳導(dǎo)系數(shù)，故將熱電材料薄膜化后可預(yù)期會大幅改變其ZT值。例如,Koga研究團隊理論預(yù)測在室溫下Si(5nm)/Ge(0nm)的超晶格結(jié)構(gòu)(于Si5Ge5基座)，其ZT值要比Si塊材大70倍。除了二維的多層膜/超晶格結(jié)構(gòu)外,一維的量子線結(jié)構(gòu)也開始慢慢受到注意，研究者欲通過一維量子線更強的量子局限化效應(yīng)來進一步提升熱電材料之ZT值。例如，將熔融的熱電材料Bi、Sb及Bi2Te3經(jīng)高壓注入多孔隙材料如陽極氧化鋁或云母，可形成直徑約8nm，長度約10m的納米線。目這些納米量子線陣列的量測都還在起步的階段。上述的二維或一維納米結(jié)構(gòu)都因有基座或多孔隙材料的存在而使熱電材料熱傳導(dǎo)系數(shù)的測量或?qū)嶋H應(yīng)用產(chǎn)生相當?shù)睦щy。用熱電材料制成納米線，薄膜與超晶格，確能提升熱電勢S與熱電效率，使得ZT值難以提升這一困境的突破綻露了一線曙光,亦再次帶動了全球研究熱電材料的熱潮，而且由理論或?qū)嶒灧矫婢炎C實,具有納米結(jié)構(gòu)的熱電材料要比塊材有更好的熱電性質(zhì)。因此，近全世界正投入大量人力、物力于熱電材料的研發(fā)上,希望能制造出高ZT值的熱電材料。熱電材料塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)發(fā)現(xiàn)距今已有100余年的歷史，無數(shù)的科學家已對其進行了深入而富有成效的研究和探索，取得了輝煌的成果。隨著研究的不斷深入，相信熱電材料的性能將會進一步提高，必將成為我國新材料研究領(lǐng)域的一個新的熱點。在今后的熱電材料研究工作中，研究重點應(yīng)集中在以下幾個方面：（1）利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體能帶理論和現(xiàn)代量子理論，對具有不同晶體結(jié)構(gòu)的材料進行塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的計算，以求在更大范圍內(nèi)尋找熱電優(yōu)值ZT更高的新型熱電材料。（2）從理論和實驗上研究材料的顯微結(jié)構(gòu)、制備工藝等對其熱電性能的影響，特別是對超晶格熱電材料、納米熱電材料和熱電材料薄膜的研究，以進一步提高材料的熱電性能。（3）對已發(fā)現(xiàn)的高性能材料進行理論和實驗研究，使其達到穩(wěn)定的高熱電性能。將不同材料的導(dǎo)體連接起來，并通入電流，在不同導(dǎo)體的接觸點——結(jié)點，將會吸收(或放出)熱量.1834年，法國物理學家佩爾捷(J.C.A.Peltier)發(fā)現(xiàn)了上述熱電效應(yīng).1838年，俄國物理學家楞次(L.Lenz)又做出了更具顯示度的實驗：用金屬鉍線和銻線構(gòu)成結(jié)點，當電流沿某一方向流過結(jié)點時，結(jié)點上的水就會凝固成冰；如果反轉(zhuǎn)電流方向，剛剛在結(jié)點上凝成的冰又會立即熔化成水.熱電效應(yīng)本身是可逆的.如果把楞次實驗中的直流電源換成燈泡，當我們向結(jié)點供給熱量，燈泡便會亮起來.盡管當時的科學界對佩爾捷和楞次的發(fā)現(xiàn)十分重視，但發(fā)現(xiàn)并沒有很快轉(zhuǎn)化為應(yīng)用.這是因為，金屬的熱電轉(zhuǎn)換效率通常很低.直到20世紀50年代，一些具有優(yōu)良熱電轉(zhuǎn)換性能的半導(dǎo)體材料被發(fā)現(xiàn)，熱電技術(shù)(熱電制冷和熱電發(fā)電)的研究才成為一個熱門課題.在室溫附近使用的半導(dǎo)體制冷材料以碲化鉍(Bi2Te3)合金為基礎(chǔ).通過摻雜制成P型和N型半導(dǎo)體.如前所述，將一個P型柱和一個N型柱用金屬板連接起來，便構(gòu)成了半導(dǎo)體制冷器的一個基本單元，如果在結(jié)點處的電流方向是從N型柱流向P型柱，則結(jié)點將成為制冷單元的“冷頭”(溫度為Tc)，而與直流電源連接的兩個頭將是制冷單元的“熱端”(溫度為Th).N型半導(dǎo)體的費米能級EF位于禁帶的上部，P型的則位于禁帶的下部.當二者連接在一起時，它們的費米能級趨于“持平”.于是，當電流從N型流向P型時(也就是空穴從N到P；電子從P到N)，載流子的能量便會升高.因此，結(jié)點作為冷頭就會從Tc端吸熱，產(chǎn)生制冷效果.佩爾捷系數(shù)，其中是單位時間內(nèi)在結(jié)點處吸收的熱量，I是電流強度，Π的物理意義是，單位電荷在越過結(jié)點時的能量差.在熱電材料研究中，更容易測量的一個相關(guān)參數(shù)是澤貝克(Seebeck)系數(shù)α，其中T是溫度.顯然，α描述單位電荷在越過結(jié)點時的熵差.對于制冷應(yīng)用來說，初看起來，電流越大越好，佩爾捷系數(shù)(或澤貝克系數(shù))越大越好.不幸的是，實際非本征半導(dǎo)體的性質(zhì)決定了二者不可兼得：電流大要求電導(dǎo)率σ高，而σ和α都是載流子濃度的函數(shù).隨著載流子濃度的增加，σ呈上升趨勢，而α則下跌，結(jié)果ασ只可能在一個特定的載流子濃度下達到最大(注：由熱激活產(chǎn)生的電子-空穴對本征載流子，對提高熱電效益不起作用).半導(dǎo)體制冷單元的P型柱和N型柱，都跨接在Tc和Th之間.這就要求它們具有大的熱阻.否則，將會加大Tc和Th間的漏熱熵增，從而抵消從Tc端吸熱同時向Th端放熱的制冷效果.最終決定熱電材料性能優(yōu)劣的是組合參數(shù)，其中κ是材料的熱導(dǎo)率.參數(shù)Z和溫度T的乘積ZT無量綱，它在評價材料時更常用，是性能最佳的熱電材料，其ZT值大約是為要使熱電設(shè)備與傳統(tǒng)的制冷或發(fā)電設(shè)備競爭，ZT值應(yīng)該大于GlenSlack把上述要求歸納為“電子-晶體和聲子-玻璃”.也就是說，好的熱電材料應(yīng)該具有晶體那樣的高電導(dǎo)和玻璃那樣的低熱導(dǎo).在長程有序的晶體中，電子以布洛赫波的方式運動.剛性離子實點陣不會使傳導(dǎo)電子的運動發(fā)生偏轉(zhuǎn).電阻的產(chǎn)生來源于電子同雜質(zhì)、晶格缺陷以及熱聲子的碰撞.因此，在完善的晶體中σ可以很大.半導(dǎo)體中的熱導(dǎo)包含兩方面的貢獻：其一由載流子(假定是電子)的定向運動引起的(κe)；其二是由于聲子平衡分布集團的定向運動(κp).根據(jù)維德曼-弗蘭茲定律，κe∝σ.人們不可能在要求大σ的同時，還要求小的κe.減小熱導(dǎo)的潛力在于減小κp，它與晶格的有序程度密切相關(guān)：在長程有序的晶體中，熱阻只能來源于三聲子倒逆(umklapp)過程和缺陷、邊界散射；在非晶態(tài)玻璃結(jié)構(gòu)中，晶格無序大大限制了聲子的平均自由程，從而添加了對聲子的散射機制.因此，“聲子-玻璃”的熱導(dǎo)率κ可以很低.以無量綱優(yōu)值系數(shù)ZT來衡量熱電材料：BiSb系列適用于50—150K溫區(qū)；Bi2Te3系列適用于250—500K；PbTe系列適用于500—800K;SiGe系列適用于1100—1300K.低溫熱電器件(T≤220K)主要用于冷卻計算機芯片和紅外探測器.高溫熱電設(shè)備可將太陽能和核能轉(zhuǎn)化成電能，主用于航天探測器和海上漂浮無人監(jiān)測站的供電.氟里昂制冷劑的禁用，為半導(dǎo)體制冷的發(fā)展提供了新的契機.1998年秋季在美國波士頓召開的材料研究學會(MRS)學術(shù)會議上，熱電材料研究再一次成為討論的熱點.BrianSales等研究了一類新型熱電材料，叫作填隙方鈷礦銻化物(filledskutteruditeantimonides).未填隙時，材料的化學式是CoSb3(或Co4Sb12).晶體中每個Co4Sb12結(jié)構(gòu)單元包含一個尺寸較大的籠形孔洞.如果將稀土原子(例如La)填入籠形孔洞，則化學式變?yōu)長aCo4Sb由于La原子處于相對寬松的空間內(nèi)，它的振動幅值也較大.于是，在LaCo4Sb12中，Co4Sb12剛性骨架為材料的高電導(dǎo)提供了基礎(chǔ)，而稀土La在籠中的振動加強了對聲子的散射——減小了材料的熱導(dǎo).B.Sales的工作朝著“電子-晶體和聲子-玻璃”的方向邁出了第一步.高壓(～2GPa)技術(shù)已經(jīng)被用于改進熱電材料的性能.如果在高壓下觀察到了母材料性能的改善，人們將可以通過化學摻雜的辦法獲得類似的結(jié)構(gòu)，并將它用于常壓條件下.ZrNiSn的σ和α都很高，但它的熱導(dǎo)率κ并不低.或許可以通過加入第4或第5組元，增強對聲子的“質(zhì)量漲落散射”，達到減小熱導(dǎo)的目的.準晶的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，具有“聲子-玻璃”的性能.有關(guān)研究的重點是改善準晶的導(dǎo)電性能，將納米金屬(Ag)嵌入導(dǎo)電聚合物，當電流流過這種復(fù)合材料時，可以產(chǎn)生大的溫度梯度.對此，還沒有理論上的解釋.有兩種低維熱電材料具有應(yīng)用前景：CsBi4Te6實際上就是填隙的Bi2Te3；硒(Se)摻雜的HfTe5，在T＜220K的溫區(qū)，其澤貝克系數(shù)α遠遠超出了Bi2Te薄膜、人工超晶格、納米碳管、Bi納米線和量子阱系統(tǒng)、類貓眼結(jié)構(gòu)等都展現(xiàn)出了在改進熱電材料性能方面的潛力.美國GMZEnergy4月22日宣布推出一款突破性的新型材料，有助于制