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熱電材料優(yōu)值測量好幫手-LSR塞貝克電阻率儀

點(diǎn)擊次數(shù)：5202次更新時間：2017-09-22

1821年，德國科學(xué)家塞貝克(Seebeck) 將兩種不同的金屬導(dǎo)線連接在一起構(gòu)成一個電流回路，并在兩個結(jié)點(diǎn)處保持不同的溫度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線周圍的指南針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。因此，這種由于溫差產(chǎn)生電勢的效應(yīng)被稱為塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)。而導(dǎo)線兩端的電壓差與溫度差的比值，就稱為塞貝克系數(shù)。

1834年，法國科學(xué)家帕爾貼(Peltier)發(fā)現(xiàn)了塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。他將兩種金屬導(dǎo)線連接在一起并通以電流，結(jié)果發(fā)現(xiàn)接頭處的水結(jié)成了冰，這種現(xiàn)象為珀?duì)柼?yīng)。

1856年，英國物理學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)如果在有溫度梯度的均勻?qū)w中通過電流時，導(dǎo)體中除了產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，還要吸收或放出一定的熱量，這一現(xiàn)象定名為湯姆遜效應(yīng)。

那么，為什么會有這種熱電現(xiàn)象呢？上圖是半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)（圖左）和珀?duì)柼?yīng)（圖右）的示意圖。

當(dāng)對半導(dǎo)體兩端造成溫差時，熱端載流子（電子或者空穴）具有比冷端附近載流子更高的動能，而且熱端受激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶或價帶的載流子也會更多，從而造成了載流子從熱端向冷端擴(kuò)散。而載流子的聚集會形成電場，從而阻礙擴(kuò)散。當(dāng)達(dá)到一個平衡時，載流子不再擴(kuò)散，半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生出一個電動勢。這就是溫差發(fā)電。那么它的逆過程又是如何呢？不同的半導(dǎo)體中載流子的勢能不同，因此在異種材料的結(jié)合處與晶格發(fā)生能量交換，在宏觀上就產(chǎn)生界面附近的吸熱或放熱現(xiàn)象。

看到這里，相信很多人會想到熱電材料可以用來發(fā)電或者制冷。

熱電材料溫差發(fā)電技術(shù)zui早開始于20世紀(jì)40年代。相比于其他發(fā)電技術(shù)，溫差發(fā)電有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、無運(yùn)動部件、無噪聲、使用壽命長等特點(diǎn)，在航天、航空、軍事等領(lǐng)域得到應(yīng)有。隨著技術(shù)發(fā)展，溫差發(fā)電在利用太陽能、地?zé)崮?、工業(yè)廢熱、汽車尾氣廢熱、人體熱方面也有應(yīng)用。

而熱電制冷主要應(yīng)用有民用領(lǐng)域的車載冰箱、除濕器、小型飲料機(jī)、車用冷杯、冷帽、汽車座椅、化妝品存儲箱等，以及電子領(lǐng)域的CPU測試平臺、冷風(fēng)裝置、冷卻板、大功率LED散熱器、投影儀制冷等。

同樣是溫差發(fā)電或者電致冷，哪種材料的效果更好？德國科學(xué)家艾特克西(Altenkirch)指出，一種良好的熱電材料必須具備較大的塞貝克系數(shù)、較高的電導(dǎo)率、較低的熱導(dǎo)率。因此材料的熱電性能就可以用一個統(tǒng)一的ZT值來表示。ZT值越高，材料的zui大轉(zhuǎn)換效率越高。一般而言，ZT值大于1，方有實(shí)用價值。

熱電優(yōu)值難以獲得突破的關(guān)鍵因素在于決定ZT值的三個參數(shù)(電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo) 率)之間的相互關(guān)聯(lián)，很難通過獨(dú)立調(diào)控某個參數(shù)實(shí)現(xiàn)ZT值的大幅提升。增加載流子濃度會提高電導(dǎo)率，但同時會減小塞貝克系數(shù)并增大載流子熱導(dǎo)率。增大載流子有效質(zhì)量則提高了塞貝克系數(shù)，但理論上對遷移率有著不利影響。

目前，已發(fā)現(xiàn)ZT值大于2的熱電材料，但仍然還需要更進(jìn)一步的提高。

為了得到合適的材料，了解用來描述這種效率（如ZT 值，優(yōu)值系數(shù)圖）的材料的相關(guān)熱物理性質(zhì)是很重要的。如以下方程所示：