薄膜热电性质研究毕业论文

2021-11-29 21:20:47

论文总字数：19574字

摘要

热电薄膜材料是一种清洁的可以持续发展的材料，再当下这个能源急需的时代，绿色材料的出现，则必然会是研究的热点，所以对于热电薄膜材料的研究一直是近些年来材料研究的焦点对象。

本文首先介绍了热电薄膜材料的研究目的和意义，调研了目前的研究现状，给出了热电效应的基本原理。第二章针对影响热电薄膜材料的热电性能的几个因素进行了分类和归纳。由材料热电性质的描述式，提高热电性质主要从构成热电优值的3个热电参数着手: 提高材料的塞贝克系数和电导率，降低材料热导率。通过文献的调查，整理分析出掺杂浓度、费米面、带隙以及缺陷等因素对材料热电性能的影响，第三章总结了掺杂对薄膜材料热电性能的影响。最后，进行了总结与展望。

关键词：热电薄膜；热电优值；塞贝克系数；电导；热导

Abstract

Thermoelectric thin film material is a kind of clean and sustainable material. In this era of urgent need for energy, the emergence of a green material is bound to be a research hotspot. Therefore, the research on thermoelectric thin film material has been the key object of materials in recent years. The first half of this paper is mainly to explore the factors that influence the thermoelectric thin film materials. Based on the description of the thermoelectric properties of materials, the improvement of the thermoelectric properties mainly starts from three thermoelectric parameters that constitute the thermoelectric superiority value: improving the Seebeck coefficient and conductivity of materials, and reducing the thermal conductivity of materials. Through the investigation of the literature, the influence of doping concentration, Fermi surface, band gap and defects on the thermoelectric properties of the material was analyzed, and the influence of doping on the thin film material was described in the latter part.

Keywords：Thermoelectric film; Figure of merit; Seebeck coefficient; Conductivity; Thermal conductivity

第1章绪论 1

1.1研究热电薄膜材料的目的和意义 1

1.2热电薄膜材料的研究现状 1

1.3热电效应的基本原理 2

1.3.1 Seebeck效应 2

1.3.2 Peltier效应 4

第2章影响热电材料的热电性能的主要因素 6

2.1 Seebeck系数 6

2.1.1 通过能带结构调节Seebeck系数 7

2.2 热导率 8

2.2.1 缺陷对热导率的影响 8

2.2.2尺寸效应对热导率的影响 9

2.2.3 低维化处理 11

2.3 电导率 12

2.3.1 调控载流子浓度.................................................................................................. 13

2.3.2 调节载流子迁移率 13

2.3.3 抑制双极传导 13

2.4 基于纳米析出物来增加电导率 16

第3章掺杂对热电薄膜所带来的其他影响 17

3.1掺杂影响导带结构 17

3.2 掺杂影响热电薄膜的成分结构 17

3.3 小结 17

第4章总结与展望 19

参考文献 20

致谢 22

第1章绪论

1.1研究热电薄膜材料的目的和意义

在当下这个能源紧缺的社会，一种绿色的可再生的材料是当下所紧急需要的，热电材料的出现恰好满足了这一需求，由于其可以进行热电转换的能力，在航天航空，医学、国防、节能环保、冷藏、故障诊断、等许多重要领域都有着广泛的应用。对能源供应的需求不断上升，碳基能源带来的温室气体的消除，以及能源消费效率的提高，引发了对替代能源和能源收集技术的重大研究。其中一种很有前途的方法是热电，它将热量直接转化为电能。由于热电器件具有无运动部件、稳态运行周期长、零排放、控温精确、能在极端环境下工作等明显优点，因此热电应用前景广阔，特别是在发电和制冷领域。在发电模式中，能源从废物、环境或机械来源中获取，并通过热电装置转化为可利用的形式——电力。所以当下热电材料这个种高新技术成为了近年来的热点，引起了广泛的关注，热电材料是一种利用声子和载流子的输运性质，实现电能与热能之间相互转换的材料。为了能够更好的获得优良性能的热电材料，对热电材料的影响因素进行调研分析，提出对热电性能优良的材料可行的才行与建议。

1.2热电薄膜材料的研究现状

20世纪50年代，随着热电学基础科学的建立，热电学的研究得到了迅速的发展。在此期间，Bi₂Te₃和它的合金被发现和报道有最高的ZT。近40多年来，在热电领域没有大的发展，因此ZT≈1一直被视为先进热电学的基准。转折点出现在20世纪90年代初，当时Hicks和 Dresselhaus指出^[1]，量子力学可以通过降低维度来提供一种设计热电材料的新途径。之后，不同的组别出现了ZT特别高的低维材料，打破了统一的界限。更重要的是，量子效应的思想随后通过纳米结构和能带工程的激励策略导致了块状热电材料的重大进展。因此，热电学研究的新复兴仍在继续。对于热电材料的影响因素目前也有很成熟的研究，由于热电材料是可以通过热电效应实现热电转换的材料。热电效应由Seebeck效应，Peltier效应和Thomson效应三个热电现象所构成。热电材料的性能一般由无量纲热电优值ZT来描述。

(1.1)

其中为电导率，S为Seebeck系数，为材料的总热导率，T为绝对温度，材料的热导率是由声子热导和电子热导共同所构成的。热电优值数值越大则代表材料的热电性能越好。热电优值ZT的大小显示了在一定的温度下，热电材料内部的载流子和声子的输运特性及载流子和声子之间相互作用的本征特性，这些性质取决于材料的化学成分和微观结构。

复杂的参数关系使得仅调整载流子浓度的方法难以增强ZT。然而，在过去的几十年中，热电领域取得了很大的进步，其中包括提高功率因数和降低热导率的各种策略，从而将热电技术推向了文艺复兴时期。根据最佳工作温度，热电材料可分为三个范围：以Bi₂Te₃基代表的低温范围，以PbTe基为代表的中温范围和以SiGe基为代表的高温范围，典型温度范围为小于400 K，600 K到900 K之间和大于 900K。回顾自1821年观察到塞贝克效应以来已发展了近200年的热电材料的历史，根据ZT值可将其分为三代。在第一代中，ZT约为1.0，并且该器件可以以4％到5％的功率转换效率运行（大约从最大ZT估算）。第二个周期。由于尺寸效应的影响，并延伸到1990年代，通过引入纳米结构，ZT被推高至1.7。功率转换效率有望达到11％到15％。第三代大体积热电设备最近正在开发中，一些新概念和新技术已将ZT提升至1.8甚至更高；预计的器件转换效率将提高到15％e20％。除了高ZTgt; 2.0之外，热电的发展历史还显示出追求低成本和大地特性的趋势。

1.3热电效应的基本原理

热电效应是指材料之间的热电转换的现象，由三大热电效应组成，分别是Seebeck效应，Peltier效应和Thomson效应。

1.3.1Seebeck效应

图1.1

Seebeck效应是由德国科学家Thomas J.Seebeck发现，当连接两根不同的金属导线并首尾相连，加热其中一端，两个接触面之间则会产生载流子的扩散，消除内部的电荷密度差，两端则会出现电动势形成电流。定义S为Seebeck系数表示在一定温度梯度下产生电动势大小的能力。

(1.2)

热电效应涉及到温差或额外电压如何干扰自由载流子的分布和随之而来的能量交换。在平衡时，自由载流子(例如电子)的分布遵循费米-狄拉克函数。

(1.3)

其中E是能级，u是化学势，是玻尔兹曼常数，T是温度。一般来说，u等于费米能级(Ef)。如果, ，或者,。在0 K的时候，从0到1的跃迁恰好发生在u处，而在非0 K的时候，从 0到1的跃迁发生在几个的能量窗上。在给定的E点，是由T和共同决定。因此，温度和外部电势的变化会导致载流子的重新分布，最终导致电荷电流的流动。图1.1显示了一个热电装置，它由一个带有两个触点的通道(热电材料)组成。，和分别是温度，化学势，和费米-狄拉克函数的两个接触，i = 1和2分别表示左右接触。与之间的竞争，即是通过通道的电荷电流。没有温度或潜在的干扰，（其中，)，。当T₁ gt; T₂但 = (即施加温度差)时，从 0到1的转变比所发生的要有更宽的能量窗口上，这意味着在高于化学势的能量下，，否则。能量高于化学势的电子从左触点流向右触点，能量较低的电子从右触点流向左触点。除了，另一个影响一定能量下电子数的因素是态密度(DOS, g(E))，它描述了电子在E能级上的可能态。在图2(a)中，图g(E)对应于n型半导体，并随着能级的增加而增加，表明在更高的能级有更多的电子态。因此，净电子电流从热侧流向冷侧，导致热侧为正，冷侧为负，因此，变的低于，当越来越多的电子累时，与的差值就会增大。当负极对电子有较高的电势，没有了电子流，图2(b)描述了变化后的平衡。