文 献 综 述

1. 研究背景及研究目的

随着全球工业化进程的加快，世界能源短缺和枯竭已经成为每个国家不容忽视的问题，严重制约着社会长期稳定发展。研究和开发新能源已经成为全球能源发展趋势。热电材料以其独特的性能成为一种很有发展前途的功能材料。人们对热电材料的开发和利用日益重视。^1~4对热电材料的研究已成为当今材料科学家和能源科学家研究的热点之一。⁵

PbSe基热电材料是当前比较热门的热电材料。本课题主要研究的是PbSe经过Bi掺杂后与AgSnSe₂ 复合形成的复合物的电运输性质。

2. 热电材料

热电材料(又称温差电材料)是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料。其工作原理是固体在不同温度下具有不同的电子(或者空穴)激发特征，当热电材料两端存在温差时，材料两端电子(或者空穴)激发数量的差异将形成电势差(电压)。⁶ 1911年德国的Altenkrich提出了热电发电和制冷的理论模型:即Z=S²σ/λ(其中Z是材料的热电优值，S为Seebeck系数，σ为电导率，λ为热导率)，从而奠定了热电材料进行热能与电能相互转换的理论基础。⁷这一理论表明，优良的热电材料必须具有高的Seebeck系数(S)，从而保证有较明显的的热电效应，较小的热导率(λ)以保留接点处的热量，高的电导率(σ)以减少Joule热损失，即材料热电性能的优劣取决于其热电优值Z。⁸影响热电材料的优值Z的3个参数Seebeck系数、热导率、电导率都是温度的函数。习惯上，人们常用热电品质因素与温度之积ZT这一无量纲来描述材料的热电性能(T是材料的平均温度)。ZT=S²Tσ/λ, ZT越大，热电材料的性能越好。⁶

提升热电材料ZT值的方法一般有两种，一为提高其功率因子 (S²σ)，二为降低其热传导系数(λ)。影响功率因子的物理机制包括散射参数、能态密度、载子移动度及费米能级等四项。前三项一般被认为是材料的本质性质，只能依靠更好更纯的样品来改进，而实验上能控制功率因子的物理量为通过改变掺杂浓度来调整费米能级以达到最大的S²σ值。热传导大部分是由晶格来传导，晶格热导率与材料的定容比热、声子的运动速度及声子的平均自由程等3个物理量有关，前2个物理量由材料本身决定，而声子平均自由程与声子散射有关，材料中杂质、缺陷、表面或晶界增加，声子散射几率增加，声子平均自由程减少，从而热导率降低。因此，提高热电材料优值的途径主要有以下3个方面:①掺入杂质，改善载流子浓度和费米能级;②通过各种途径增加声子散射几率，降低热导率;③研究新材料。⁷

3. 热电材料的应用