材料的热电优 值及其优化
材料的热电优化 值Z:
其中：
K——综合热导 率
R——电阻
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Bi2Te3基热电材料优化方法
成 分 优 化
Bi2Te3的热电性能依赖于其化学组成，不同的掺杂成分会改变材料的
导电类型、载流子浓度和迁移率。
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Bi2Te3基热电材料优化方法
Bi2Te3化合物为六面体层状结构，其热电性能是
功能材料—碲化铋 Bi2Te3
组员：杨志翔，汪可，陈俊
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在一般状况下有两种同素异形体，一种是 晶体的碲，具有金属光泽，银白色，性脆，
是与锑相似的；另一种是无定形粉末状， 呈暗灰色。密度中等（6.240 g/cm3）， 熔、沸点较低（449.6 ℃、989.9 ℃)。
碲
碲在空气中燃烧带有蓝色火焰，生成二氧 化碲；可与卤素反应，但不与硫、硒反应。 溶于硫酸、硝酸、氢氧化钾和氰化钾溶液。
4、 热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端 散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟， 制冷片就能达到最大温差。
5、 半导体制冷片的反向使用就是温差发电 6、 半导体制冷片的单个制冷元件对的功率很小， 但用并联的方法组合成电堆，功率就可以做的很 大
7、 半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负 温度130℃都可以实现。
在Bi2Te3单层薄膜研究方面，最引人注目的是2005年捷克 人Walachova制备的Bi2Te3薄膜，用哈曼法测量ZT值最高 为2.65。
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量子效应对低维材料热 电优值的影响（节选）
单通道近似法中，两个Bi2Te3层被 PbTe层隔开，两个Bi2Te3层之间存在 隧道传输和反射。电子通过障碍层 PbTe层产生的隧道效应与障碍层的高 度、障碍层的厚度和电子能量有关。 对能量为ε的电子，隧道传输系数Tr可 表达为:
主要用来添加到钢材中以增加延性，电镀
液中的光亮剂、石油裂化的催化剂、玻璃
着色材料，以及添加到铅中增加它的强度
碲
和耐蚀性。
它是一种非金属元素，可它却有十分良好 的传热和导电本领。碲和它的化合物是一 种半导体材料。
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铋为有银白色光泽的金属，质脆易粉碎；熔 点271.3°C，沸点1560°C，密度9.8克/厘米 3；
多层量子阱结构
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量子效应对低维材料热 电优值的影响（节选）
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Bi2Te3热电薄膜的制备（磁控溅射
方法）
沉积相薄比膜其使它用热的电基薄片膜的主制要备有方普法通，载采玻用片磁、控冷溅抛射石方英玻 璃片法和制云备母Bi片2T。e3薄膜和(Bi2Te3/PbTe)n多层膜以及
(PbTe)np/Bi2Te3纳米复合薄膜具有以下优点： （1）膜的沉积温度低、沉积速率较快 （2）制备的薄膜的成分与靶材成分一致性好 （3）适于制备多层结构薄膜 （4）多层膜子层厚度调节范围大，厚度控制精确 （5）材料选择范围广 （6）有利于实现PbTe纳米颗粒的制备与 (PbTe)np/Bi2Te3纳米复合薄膜成型 一体化要求 （7）易于实现工业化生产
材料之一。现在已经被广泛的应用于我们生活的各个角落。
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1834年法国物理学家帕尔帖在铜丝 的两头各接一根铋丝，在将两根铋
热电现象
丝分别接到直流电源的正负极上，
通电后，发现一个接头变热，另一
个接头变冷。这说明两种不同材料
组成的电回路在有直流电通过时，
两个接头处分别发生了吸放热现象。 热电制冷又称作温
这就是热电制冷的依据。
差电制冷，或半导
体制冷，它是利用
塞贝克（Seeback）效应（第一 热电效应）
帕尔帖效应（第二热电效应）
热电效应（即帕米 尔效应）的一种制 冷方法。
汤姆逊效应（第三热电效应）

塞贝克（Seeback）效应（第一热电效 应）
塞贝克（Seeback）效应，它是指由于两种不同电导体 或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热 电现象。
热电
制冷器
半导体制冷片 （TE）也叫 热电制冷片， 是一种热泵， 它的优点是没 有滑动部件， 并且可以很方 便的在制冷制 热之间转换。 应用在一些空 间受到限制， 可靠性要求高， 无制冷剂污染 的场合。
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热电制冷 器的研究
• 较好的温差电材 料应有较小的热 导率，使得能量 能保持在接头附 近，还要求电阻 较小，使产生的 焦耳热小。
在50年代至60年代的热电材料研究热潮期间， 对所有当时已知的半导体，半金属和许多合金 的热电性能都进行了研究，发现室温下最好的 热电材料是Bi2Te3及其固溶体合金，它的无量 纲ZT值（T为绝对温度）约为1，用其制成的制 冷器件的效率大约只有家用氟利昂压缩机制冷 效率的三分之一，这使得热电材料的研究转入 低潮有三十多年。
碲
有十分良好的传热和导 电本领的非金属
生成Bi2Te3，并且产生很多神 奇的性能。
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碲化铋——简介
碲化铋是一种灰色的粉末，分子式为Bi2Te3。 碲化铋具有较好的导电性，但导热性较差。是个半导
体材料。
那么什么是 碲化铋最主要的应用是 作为一种热电材料
热电材料呢？ Bi2Te3化合物及其固溶体合金是研究最早也是最成熟的热电
铋
• 导电导热性差；
• 由液态到固态时体积增大。铋在 红热时与空气作用；铋可直接与
硫、卤素化合；不溶于非氧化性
酸，溶于硝酸、热浓硫酸。铋可
制低熔点合金，用于自动关闭器
或活字合金中；碳酸氧铋和硝酸
自然态的铋
氧铋用作药物；氧化铋用于玻璃、 陶瓷工业中。
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当碲和铋相化合时
铋
性脆，导电和导 热性都较差的银 白色金属
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Bi2Te3基热电材料优化方法
成型是将热电材料制备成热电模块的工序，以
往热电材料的成型基本上都是利用粉末冶金的
方法，冷压后烧结成型，但是材料的热电性能
始终得不到根本的提高。
成 为了提高材料的热电性能和力学性能，最近几 型 年研究者尝试了许多新的成型工艺试图提高材
优
料的热电性能和机械性能并取得了较好的效果， 如热压成型、热挤压成型、脉冲电流烧结等。
各向异性的，研究初期，为了提高材料的热电性
能，研究者主要采用区域熔炼、布里奇曼等方法
结
来制备具有一致取向的单晶材料。 V.S.Zemskov等采用czochralski法制备了Bi-Te单
构 晶材料，采用不同的Sb成分掺杂，材料的最大ZT
优 为1.35。
化
近些年有关Bi2Te3基块体热电材料结构优化主要 集中在纳米结构，非晶结构以及在材料中引入新
能量在两材料的交界面处 流，单位为A。 以热的形式吸收或放出。 T——结点处的温度 8
优点
1、 不需要任何制冷剂，没有污染源没有旋转部件， 工作时没有震动、噪音、寿命长，安装容易。
2、 既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高， 但制热效率很高，永远大于1。 3、通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控 制
元素并使之与Bi2Te3材料形成一种插层化合物，
增加声子的散射，降低材料的热导率。
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Bi2Te3基热电材料优化方法
Bi2Te3基块体热电材料的合成工艺主要集中在熔
铸和机械合金化法。传统的熔铸方法制备Bi2Te3
基块体热电材料时，液相到固相的转变过程中常
常会出现成分偏析，加上熔融状态的Bi、Te等低
合 熔点元素易挥发，不仅导致材料的利用率下降，
成 优
且使材料的热电优值降低。
机械合金化能有效消除液相到固相转变时的成分 偏析，避免Bi、Te等低熔点元素的挥发，最终得
化 到均匀细小的组织。均匀的合金元素分布对应着
较高的电导率，而细小的晶粒尺寸由于增加了长
波声子的散射，降低了材料的热导率，最终提高
了材料的热电优值。
• 这几个性质的要 求可由“热电优 值”(Figure of merit)描述，
其定义为： Z=α2σκ，（α和σ 分别为塞贝克系 数和电导率，κ为 热导率）
1949年，苏联的Ioffe院士提出了半导体温差电 的理论，同时在实际应用方面做了很多工作， 到了50年代末期，Ioffe及其同事从理论和实验 上证明利用两种以上的半导体形成固溶体，可 使κσ减小，并发现了热电性能较高的制冷和发 电材料，如Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶体合金， 展示了通过新材料的研究开发实现热电性能提 高的前景。
材料的塞贝克效应的大小，用温差电动势率α表示。 材料相对于某参考材料的温差电动势率为
由两种不同材料p、n所组成的电偶，它们的温差电动
势α pn等于α p与α n之差，即
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帕尔帖效应（第二热电效应）
•因电此流流，过半两导种不体同电导子体的制冷的18效37果年就，俄主国要物取理决学于家 电势界量这荷差面，就载。时 或 是体纯，向帕将外尔运金从界帖动属外放效的的界出应吸热。两 导收量种 热热。材 导料 电楞流的 性的次能 能方（极 好向L差，e决n，但z定）即制了发热冷是现吸电效，收电 率电•经物体电处势低过理中荷于，（解 运 载 不多可不释动体同次：形在的以到试电成不能成1%荷电同级验功载流的，），体。材当的。科在由料它用半导于中从学来导家做体发还（流系小材现是制的数型料：产冷大成的具P生）小为型热有热 量 成 “半电极量 的 正 帕导制高， 多 比 尔体冷发 少 ， 贴的热 与 比 系器热电 例 数。” （高B能i2级Te向3低-S能b2级-运Te动3）时，和N型帕半尔导帖体系（数πB：i2Te3B点i便反动2处-释，时S表e放 从 ，3现出低从）多能外出的余级界明的向吸热显能高收电量能能的势；级量制。相运差冷最效大式果，中。应πI=—d用—Q中/流Id能经T 够导体在的接电
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