热电薄膜材料研究进展综述

基于不同的工业要求,各国研发了可在不同温度下使用的热电薄膜材料。根据工作温度的不同,可分为高、中、低温热电薄膜材料三大类,广泛应用于工业生产、汽车制造、电厂发电、节能减排等领域。目前,在热电薄膜材料的制备工艺、工作原理、性能等方面有较多的研究成果,因此,本文根据热电薄膜材料的适用温度来分类,对其制备工艺及应用领域进行综述。

Bi-Te基薄膜热电材料的研究进展

热电材料是一种能够实现热能与电能直接转换的功能材料,由于无法有效降低块体热电材料的热导率,其性能研究进展缓慢。自上世纪90年代初Hicks等提出了低维化能够显著提高热电材料性能的理论后,薄膜热电材料开始受到广泛关注。低维化提高材料性能的原因主要是材料在低维化后能够产生量子限制效应,使得电子在被压缩维度的运动受到限制。首先,在费米能级附近,与Seebeck系数呈正相关的电子态密度会增大,导致低维热电材料的Seebeck系数相比块体材料显著增大。其次,与块体材料相比,薄膜材料存在更多能够散射声子的晶界,能有效降低晶格热导率。在这两种效应的共同作用下,材料的热电优值(ZT值)能够显著增大。低维热电材料的研究初期主要是通过数学模型和数值计算,从理论上证明量子效应会影响材料的Seebeck系数和电导率,且能实现二者的独立控制,从而提高材料的ZT值。后期的实验数据证明,通过合适的热处理工艺能够有效降低薄膜材料的缺陷,提高其综合性能。因此,热处理工艺的改进对性能的提升也非常重要。热电材料性能的提升离不开制备工艺的进步。为了获得低维化的热电材料,多种薄膜材料制备工艺被用于样品的制备,且不同的制备工艺各有优缺点。Bi-Te基合金不仅可用于低温发电还可用于低温制冷,是目前应用最广泛的低温热电材料,虽然其块体状态下的热电性能研究已趋于完善,但其薄膜状态下热电性能的理论研究还相差甚远,因此Bi-Te基低温薄膜热电材料成为研究热点。本文介绍了国内外采用不同制备工艺生长Bi-Te基热电薄膜材料的发展状况以及热电性能测试方法,提出了在目前发展薄膜热电材料时需要重点关注的方面,并对低维热电材料的发展方向进行了阐述。

半导体热电材料Bi_2Te_3膜的电化学制备

研究了不同沉积电位对电化学生长半导体热电材料Bi2Te3膜沉积过程、膜形貌、结晶性及相结构的影响。利用I-V循环扫描曲线分别研究了纯Bi3+、纯Te4+及其两种离子的混合溶液电化学特性;应用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、电子能谱(EDS)对膜的微观表面形貌、相结构及成分进行了表征。研究表明:生长的样品为斜方六面体(rhombohedral)晶体结构的Bi2Te3,薄膜表面平整致密,为明显的柱状晶结构,具有(110)择优取向;沉积电位越接近还原峰最大电流处,膜的生长电荷效率越高,薄膜结晶性也越好。

基于热电效应的温室大棚自供电土壤温度传感器的设计与制备

【目的】针对温室大棚土壤温度的监测受外部电源供电限制及其灵敏度低等问题,设计并制备具有可持续、高稳定性自供电和高灵敏度的土壤温度传感器。【方法】通过ANSYS模拟仿真优化基于热电效应的温度传感器的基底结构、厚度和热电器件的热端面积,并采用最佳优化工艺参数,以图案化沉积高性能碲化铋基薄膜热电材料并用铜薄膜电极将其串联,获得高灵敏度的基于热电效应的温室大棚自供电土壤温度传感器。【结果】基底中间镂空结构、基底厚度越薄和热电器件热端面积越大均有利于温度传感器性能的提升。在温差为5~80 K范围内,传感器的输出电压与温差呈线性关系,其灵敏度高达5.317 mV·K^(-1)。【结论】基于热电效应的土壤温度传感器具有灵活性强和精准监测温室大棚土壤温度的能力,在农业温室大棚自供电监测土壤温度方面具有重要的应用价值。

微型温差电池的研究进展

诸如MEMS,微电子系统,甚至于系统芯片等微型化固态装置的应用日益广泛,这类装置通常需要具有低输出功率、高输出电压的微型电源为其供电。基于薄膜热电材料制造的微型温差电池即是一种典型的可以满足上述要求的微型电源。综观已报道的微型温差电池结构,按热传导的方向可分为两类:横向结构和纵向结构。对于横向结构,热量沿着热电腿表面传导,而纵向结构的热量则是沿热电腿的厚度方向传导。综述了此两种结构微型温差电池的最新进展。

Theoretical Calculation on Optimum Si-doping Content in Boron Carbide Thin Film

The theoretical expression of the relationship between optimumdoping content and crystal structure is presented as well as thepreparation methods. By using this expression, the optimum dopingcontent of silicon-coped boron carbide thin film is calculated. Thequantitative calculation value is consistent with the experimentalresults. This theoretical expression is also appropriate to resolvethe optimum doping content for Other electric materials.