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科学前沿丨热电材料与器件 精选

已有 6946 次阅读 2018-4-12 11:14 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

 

当今,化石能源短缺和环境污染问题凸显,能源的多元化和高效多级利用成为系统解决能源与环境问题的一个重要技术途径。热电转换技术作为一种绿色能源技术和环保型制冷技术受到工业界和学术界越来越广泛的关注。

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π形平板构造热电器件结构示意图


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环形构造热电器件结构示意图


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Y形构造热电器件结构示意图


热电能量直接转换的第一个物理效应——泽贝克效应(Seebeck effect)于1821年被发现,这是一个由温差产生热电势的温差发电效应。此后经过30余年,佩尔捷效应和汤姆孙效应先后被发现,三者构成了描述热电能量直接转换物理效应的完整体系。汤姆孙基于热力学理论建立了三种热电效应间的关联性,构筑了热电能量相互转换的热力学基础理论。


然而,直到20世纪50年代,热电发电与制冷技术才开始获得实际应用,主要是受限于人们一直没有找到高性能热电材料。20 世纪50年代,得益于半导体理论的建立及其在热电材料开发中的成功应用,半导体热电材料的性能获得较大幅度提升,Bi2Te3、PbTe、SiGe等多种体系的无量纲热电优值ZT达到或接近1.0。此后的半个多世纪,热电转换技术在空间电源、局域制冷等技术领域一直发挥着不可替代的作用。


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图1.热电材料的泽贝克效应(a)和佩尔捷效应(b)


当今,化石能源短缺和环境污染问题凸显,能源的多元化和高效多级利用成为系统解决能源与环境问题的一个重要技术途径。热电转换技术作为一种绿色能源技术和环保型制冷技术受到工业界和学术界越来越广泛的关注。例如,工业余热的高效多级利用、环境能量回收、特种电源等技术的发展对分散型、低能量密度热能高效转换新技术的开发提出了迫切需求。同时,电子信息、新能源汽车等现代产业的发展对微小空间高效快速温控、局域高热流密度主动热控等技术的需求日益扩大。


热电发电和热电制冷技术,由于其不可替代的灵活性、多样性、可靠性等优势和特点,作为支撑诸多现代产业的关键技术正受到前所未有的期待。自20世纪90年代以来,热电材料科学得到长足的发展,特别是对热电半导体输运物理机制的深入理解、新的热电材料设计理论的提出、热电材料多尺度结构调控方法和制备技术的快速发展等,推动了高性能热电材料的研发,ZT值突破了徘徊几十年的1.0的瓶颈,热电材料科学和热电转换技术的内涵也得到了拓展和丰富。


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图2.典型热电材料体系的性能优值(ZT)随年代的发展


作者陈立东研究员过去20余年一直从事热电材料与器件的研究,有幸与诸多同仁一起经历着热电材料科学的高速发展期。《热电材料与器件》试图较全面地梳理和总结热电材料与器件技术领域的最新研究成果,特别关注近20年来发展起来的热电材料设计新理论、合成新方法、器件集成新技术,并将热电材料的基础理论与材料研究和技术开发有机地融合起来,阐述热电材料的多尺度结构设计与性能调控的策略与方法,向读者提供热电材料和器件的研发策略。


《热电材料与器件》按照基础物理知识、材料制备、器件技术的次序展开,试图对热电材料基础科学问题和器件关键技术问题进行全面覆盖。


第1章至第3章讲述热电转换基本原理、热电材料性能优化策略和热电输运性能的测量等基础知识,借鉴已有的资料和最新研究成果,试图在融合经典半导体物理和热电输运新效应的基础上,阐述热电材料设计的策略和方法。热电材料物理性质的精确测量一直是该领域面临的一个技术难题,第3章,除了介绍热电材料关键物理性质的测量原理和方法外,还特别关注测量误差的分析,并讲述了低维材料热电性能的测量新方法。第4章至第6章,分别讲述典型热电材料体系及其性能优化、低维结构及纳米复合热电材料、导电聚合物及其纳米复合热电材料的合成、结构与性能调控,努力浓缩最新的研究成果,阐述热电材料的多尺度结构调控与制备科学。第7章涉及热电器件设计集成与应用,特别关注高效率、高可靠器件的设计原理与制造关键技术,并展望热电转换技术的未来发展。


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顾秉林院士为本书作序


热电转换物理效应、热电材料及其应用技术的研究历史悠长。长期以来,热电转换技术主要应用于特种电源、微小型制冷等技术领域,是一个“小众”的研究领域。进入21 世纪,快速发展的清洁能源、特殊电源、高功率电子器件等技术领域对高效热电转换技术提出了新的、迫切的需求,使得热电材料和热电转换技术开始受到工业界和学术界的广泛关注。

 

近20 年来,热电材料科学得到快速发展,特别是热电半导体输运物理机制的深入理解支撑了高性能热电材料的研发,热电性能得到快速提升,同时,器件设计方法与集成技术也不断完善。在此背景下,陈立东研究员等着手撰写《热电材料与器件》一书,梳理和总结该领域最新研究成果,我为之高兴。该书不仅梳理了热电材料领域的基础知识,而且还涵盖了作者本人在内的研究者们多年来在热电材料设计理论与制备科学、器件设计与集成技术等方面取得的诸多原创性重大成果,形成了有关热电材料与器件较为全面、丰富的知识体系。

 

该书特别注重基本物理效应与高性能热电材料设计合成的融合,不仅重点阐述了基础理论在材料设计中的应用,而且归纳总结出了性能优化方法的基本策略和创新思路,并且对于相关的科学和技术的发展方向和未来挑战提出了作者的基本思考,有利于开阔眼界、启发读者创新思维的萌生。相信该书的出版,一定能够为从事热电材料研究与器件研发的科研人员和工程技术人员以及在相关专业学习的高等院校师生提供很好的参考价值! 



2017年12月


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本文摘编自陈立东,刘睿恒,史迅著《热电材料与器件》文前,内容有删减。


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热电材料与器件

陈立东  刘睿恒  史迅

责任编辑:翁靖一

联系电话:010-64019769

北京:科学出版社 2018.03

ISBN 978-7-03-056434-4

热电材料与器件比较全面地梳理和总结了热电材料与器件研究领域的基础理论和新的发现,同时基于作者过去20 余年从事热电材料研究所积累的创新科研成果,并结合国内外该领域的研究进展和相关理论,系统阐述了热电材料的多尺度结构设计与性能调控策略,总结了器件设计集成与应用技术的最新研究成果。《热电材料与器件》特别注重基本物理效应与高性能热电材料设计合成的融合,并且对该领域的未来发展和挑战提出了作者的基本思考,利于启发读者的创新思维。


(本期编辑:安 静)


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