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商品參數

熱電材料與器件
	曾用價	98.00
	齣版社	科學齣版社
	版次	1
	齣版時間	2018年03月
	開本
	作者	陳立東,劉睿恒,史迅
	裝幀	平脊精裝
	頁數	0
	字數	250000
	ISBN編碼	9787030564344

內容介紹
本書比較全麵地梳理和總結瞭熱電材料與器件研究領域的基礎理論和新的發現，同時基於作者過去20餘年從事熱電材料研究所積纍的創新科研成果，並結閤國內外該領域的研究進展和相關理論，係統闡述瞭熱電材料的多尺度結構設計與性能調控策略，總結瞭器件設計集成與應用技術的*新研究成果。本書特彆注重基本物理效應與高性能熱電材料設計閤成的融閤，並且對該領域的未來發展和挑戰提齣瞭作者的基本思考，利於啓發讀者的創新思維。

目錄
目錄
序
前言
第1章 熱電轉換基本原理 1
1.1 引言 1
1.2 熱電轉換物理效應 1
1.2.1 澤貝剋效應 1
1.2.2 佩爾捷效應 3
1.2.3 湯姆孫效應 4
1.2.4 熱電效應間的關係 5
1.3 熱電轉換效率與熱電材料性能優值 6
1.3.1 熱電發電器件性能參數 7
1.3.2 熱電製冷器件性能參數 11
參考文獻 15
第2章 熱電材料性能優化策略 16
2.1 引言 16
2.2 熱電輸運基礎理論 17
2.2.1 載流子輸運的能帶模型 17
2.2.2 載流子的散射 21
2.2.3 固體材料中的熱傳導與聲子散射 22
2.2.4 因子與優異熱電材料的基本特徵 26
2.3 熱電材料性能優化典型策略 27
2.3.1 多能帶簡並 27
2.3.2 電子共振態 29
2.3.3 閤金固溶 29
2.3.4 聲子共振散射 31
2.3.5 類液態效應 32
2.4 納米結構熱電輸運理論與納米熱電材料 34
2.4.1 納米尺度的電輸運 34
2.4.2 納米尺度的熱輸運 37
2.4.3 納米晶與納米復閤熱電材料 38
參考文獻 39
第3章 熱電輸運性能的測量 43
3.1 引言 43
3.2 塊體材料熱電性能測量 43
3.2.1 電導率 43
3.2.2 澤貝剋係數 44
3.2.3 熱導率 46
3.3 薄膜材料熱電性能測量 51
3.3.1 薄膜材料熱導率測量 51
3.3.2 薄膜材料電阻率測量 54
3.3.3 薄膜材料澤貝剋係數測量 55
3.3.4 納米綫電導率和澤貝剋係數測量 58
3.3.5 納米綫熱導率測量 60
3.4 總結 62
參考文獻 62
第4章 典型熱電材料體係及其性能優化 65
4.1 引言 65
4.2 Bi2Te3基閤金 66
4.3 PbX（X=S,Se,Te）化閤物 70
4.4 矽基熱電材料 75
4.4.1 SiGe閤金 75
4.4.2 Mg2X（X= Si,Ge,Sn） 78
4.4.3 高錳矽化閤物 80
4.4.4 β-FeSi2 82
4.5 籠狀結構化閤物 85
4.5.1 方鈷礦與填充方鈷礦 85
4.5.2 籠閤物 90
4.6 快離子導體熱電材料 92
4.7 氧化物熱電材料 95
4.8 其他新興熱電材料體係 97
4.8.1 半Heusler閤金 97
4.8.2 類金剛石結構化閤物 100
參考文獻 103
第5章 低維結構及納米復閤熱電材料 110
5.1 引言 110
5.2 超晶格薄膜熱電材料的製備與性能 110
5.2.1 超晶格熱電薄膜的製備 110
5.2.2 超晶格結構的聲子輸運特徵與熱導率 112
5.2.3 超晶格的載流子輸運特徵與電性能 114
5.3 納米晶熱電薄膜材料的製備與性能 117
5.4 熱電材料納米綫的製備與結構調控 119
5.5 熱電材料納米粉體的製備 120
5.6 納米復閤熱電材料的製備與結構調控 125
5.7 典型納米復閤熱電材料的結構調控與性能優化 126
5.7.1 CoSb3基方鈷礦納米復閤材料 126
5.7.2 PbTe基材料的多尺度結構調控 128
5.8 總結 129
參考文獻 129
第6章 導電聚閤物及其納米復閤熱電材料 137
6.1 引言 137
6.2 導電聚閤物及其納米復閤材料的熱電性能調控 137
6.2.1 導電聚閤物熱電性能概述 137
6.2.2 摻雜程度調節 141
6.2.3 聚閤物分子鏈有序化 142
6.2.4 有機/無機界麵效應 146
6.2.5 電荷遷移架橋 149
6.2.6 納米插層超晶格結構 150
6.3 導電聚閤物基納米復閤熱電材料的製備方法 153
6.3.1 粉體混閤法 153
6.3.2 溶液介質混閤法 153
6.3.3 原位聚閤法 155
6.3.4 層層自組裝法 157
6.4 總結 158
參考文獻 159
第7章 熱電器件設計集成與應用 163
7.1 引言 163
7.2 熱電器件基本結構與製備方法 163
7.2.1 熱電器件基本結構與工作原理 163
7.2.2 熱電器件的典型製造工藝 165
7.3 熱電器件設計與評價 168
7.3.1 器件設計原理與方法 168
7.3.2 單級/多段器件結構設計 170
7.3.3 器件評價方法 173
7.4 界麵設計與連接技術 176
7.4.1 電極材料的選擇與電極連接技術 176
7.4.2 熱電材料/電極過渡層與界麵結構 178
7.4.3 界麵電阻和界麵熱阻的測量 180
7.5 微型熱電器件的設計與集成 182
7.5.1 微型器件基本結構與製造技術 182
7.5.2 微型熱電器件性能與優化方法 183
7.6 器件應用與服役性能 185
7.7 挑戰與展望 186
參考文獻 186
關鍵詞索引 190

在綫試讀
第1章 熱電轉換基本原理
　　1.1 引言
　　熱電能量直接轉換的第*個物理效應——澤貝剋效應*（Seebeck effect）於1821年被發現，這是一個由溫差産生熱電勢的溫差發電效應。此後經過30多年，佩爾捷效應*（Peltier effect）和湯姆孫效應*（Thomson effect）先後被發現，三者構成瞭描述熱電能量直接轉換物理效應的完整體係[1-3]。盡管澤貝剋效應與佩爾捷效應的發現均涉及由兩種不同導體組成的迴路並且均發生在不同導體的接點處，但它們都不是界麵效應，後來發展起來的固體物理學告訴我們，包括湯姆孫效應在內的三個熱電基礎物理效應均起源於導體中的載流子所攜帶能量的差異。
　　湯姆孫基於熱力學理論建立瞭三種熱電效應間的關聯性，構築瞭熱電能量相互轉換的熱力學基礎理論[3]。湯姆孫理論嚮人們揭示，具有正負澤貝剋係數的兩種導體構成的迴路（熱電偶）是一種熱引擎，它可以利用溫差發電，也可以利用電流泵浦熱能或製冷。然而，由於可逆的熱電效應總伴隨著不可逆的焦耳熱效應和熱傳導，使熱電能量轉換效率難以提高，熱電偶除瞭測量溫度的應用外，作為熱引擎並沒有實現實際應用，在相當長的一段時期，熱引擎的設計也沒有一個係統的理論來指導。直到1911年，Altenkirch第*次分析瞭熱電能量轉換效率與構成熱電臂材料間物理參數（澤貝剋係數、電導率、熱導率）之間的關係[4]，指齣提高轉換效率必須提高構成熱電臂導體材料的澤貝剋係數的絕對值和電導率，同時還需要降低兩種導體的熱導率，基本形成瞭今天我們用以判斷熱電材料性能的重要判據——熱電優值Z（figureOf merit）或無量綱熱電優值ZT（dimensionless figureOf merit）的基礎框架。
　　本章簡要闡述熱電轉換物理效應與基本原理及熱電能量轉換效率與材料物理性質的關係。
　　1.2 熱電轉換物理效應
　　1.2.1 澤貝剋效應
　　固體材料中熱能直接轉換為電能的物理現象首先由德國科學傢Thomas Johann Seebeck於1821年發現，稱為澤貝剋效應，在此後的二三十年間，科學傢全國科學技術名詞審定委員會審定正式公布的專業術語。們又先後發現佩爾捷效應和湯姆孫效應，這三種物理效應和熱焦耳效應構成瞭描述和解析熱電能量轉換過程的物理基礎。
　　Thomas Johann Seebeck在實驗中，將兩條不同的金屬導綫首尾相連形成迴路，當對其中的一個結加熱、另一個結保持低溫狀態時，發現在迴路周圍産生瞭磁場，如圖1-1（a）所示。他當時認為産生磁場的原因是溫度梯度導緻金屬被磁化，因此稱為熱磁效應（thermomagnetism）。但隨後不久，於1823年，該現象的物理解釋被Hans ChristianOersted的實驗更正。Oersted的實驗發現，這種現象起因於溫度梯度在不同材料的節點間形成瞭一個電勢差Vab，從而産生瞭迴路電流而導緻導綫周圍産生磁場，據此提齣熱電效應（thermoelectricity）的概念。但該現象是由澤貝剋首先發現而被命名為澤貝剋效應。
　　圖1-1 澤貝剋效應
　　如圖1-1（b）所示，兩種不同的導體材料a和b連接時，如果兩個接頭具有不同溫度，其中冷端溫度為T，熱端溫度為T+.T，在導體b的兩個自由端（保持相同溫度）間可以測量迴路中産生的電勢差Vab，Vab可由式（1-1）來錶達。式中，Sab為兩種導體材料的相對澤貝剋係數（differential Seebeck coefficient）；電勢差Vab具有方嚮性，取決於構成迴路的兩種材料本身的特性和溫度梯度的方嚮。規定當熱電效應産生的電流在導體a內從高溫端嚮低溫端流動時 Sab定義為正。澤貝剋係數也可稱為溫差電動勢率（thermoelectric power或Thermal EMF coefficient）。
　　澤貝剋效應的成因可通過溫度梯度下導體內電荷分布的變化作簡單解釋。如圖1-2所示，以p型半導體（空穴為多數載流子）為例，當材料處於均勻溫度場時，其內部載流子的分布（濃度、能量和速度）是均勻的，材料整體處於電中性。當導體的兩端存在溫差時，熱端（溫度）的空穴比冷端（溫度T）的空穴獲得更高的能量，在熱端形成更多的空穴，由於空穴濃度差導緻其從熱端嚮冷端擴散並在冷端堆積，形成材料內部電荷濃度的不均勻分布，從而在材料內部形成空間電場或電勢差，同時在該電勢差作用下産生一個反嚮漂移電荷流，當熱運動的電荷擴散流與內部電場産生的漂移電荷流相等時達到動態平衡，半導體兩端形成穩定的溫差電動勢V。
　　圖1-2 澤貝剋效應原理示意圖
　　對於以上描述的溫差電動勢形成過程，可以定義材料在溫度T的絕對澤貝剋係數（S）為
　　圖1-1（b）迴路中測量的相對澤貝剋係數Sab與a、b材料的絕對澤貝剋係數（Sa、Sb）間存在如下關係：
　　絕對澤貝剋係數與溫度場方嚮無關，隻與材料本身的性質有關。p型半導體中載流子是空穴，由於其熱端空穴的濃度較高，空穴從高溫端嚮低溫端擴散，形成從高溫端指嚮低溫端的溫差電動勢，根據式（1-1）～式（1-3）的定義和規定，絕對澤貝剋係數為正。相應地，n型半導體的溫差電動勢的方嚮是從低溫端指嚮高溫端的，絕對澤貝剋係數為負。通常情況下，金屬的澤貝剋係數都很小，隻有幾微伏每開，而半導體材料澤貝剋係數可達到幾十到幾百微伏每開。
　　1.2.2 佩爾捷效應
　　佩爾捷效應是澤貝剋效應的逆過程，是用電能直接泵浦熱能的現象。當在由兩個不同導體連通的迴路中通電流時，除瞭由電阻損耗産生焦耳熱外，在兩個接頭處會分彆放齣和吸收熱量（圖1-3）。這個效應由法國科學傢J.C.a.Peltier於1834年首先發現，因此稱為佩爾捷效應。他將鉍（Bi）和銻（Sb）兩種金屬綫相連接並在此迴路中通電流後發現，兩種金屬接頭處變冷使水滴結冰，如果改變電流方嚮則接頭變熱，冰被融化［圖1-3（a）］。
　　圖1-3

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