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商品参数

热电材料与器件
	曾用价	98.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2018年03月
	开本
	作者	陈立东,刘睿恒,史迅
	装帧	平脊精装
	页数	0
	字数	250000
	ISBN编码	9787030564344

内容介绍
本书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*新研究成果。本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，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。

目录
目录
序
前言
第1章 热电转换基本原理 1
1.1 引言 1
1.2 热电转换物理效应 1
1.2.1 泽贝克效应 1
1.2.2 佩尔捷效应 3
1.2.3 汤姆孙效应 4
1.2.4 热电效应间的关系 5
1.3 热电转换效率与热电材料性能优值 6
1.3.1 热电发电器件性能参数 7
1.3.2 热电制冷器件性能参数 11
参考文献 15
第2章 热电材料性能优化策略 16
2.1 引言 16
2.2 热电输运基础理论 17
2.2.1 载流子输运的能带模型 17
2.2.2 载流子的散射 21
2.2.3 固体材料中的热传导与声子散射 22
2.2.4 因子与优异热电材料的基本特征 26
2.3 热电材料性能优化典型策略 27
2.3.1 多能带简并 27
2.3.2 电子共振态 29
2.3.3 合金固溶 29
2.3.4 声子共振散射 31
2.3.5 类液态效应 32
2.4 纳米结构热电输运理论与纳米热电材料 34
2.4.1 纳米尺度的电输运 34
2.4.2 纳米尺度的热输运 37
2.4.3 纳米晶与纳米复合热电材料 38
参考文献 39
第3章 热电输运性能的测量 43
3.1 引言 43
3.2 块体材料热电性能测量 43
3.2.1 电导率 43
3.2.2 泽贝克系数 44
3.2.3 热导率 46
3.3 薄膜材料热电性能测量 51
3.3.1 薄膜材料热导率测量 51
3.3.2 薄膜材料电阻率测量 54
3.3.3 薄膜材料泽贝克系数测量 55
3.3.4 纳米线电导率和泽贝克系数测量 58
3.3.5 纳米线热导率测量 60
3.4 总结 62
参考文献 62
第4章 典型热电材料体系及其性能优化 65
4.1 引言 65
4.2 Bi2Te3基合金 66
4.3 PbX（X=S,Se,Te）化合物 70
4.4 硅基热电材料 75
4.4.1 SiGe合金 75
4.4.2 Mg2X（X= Si,Ge,Sn） 78
4.4.3 高锰硅化合物 80
4.4.4 β-FeSi2 82
4.5 笼状结构化合物 85
4.5.1 方钴矿与填充方钴矿 85
4.5.2 笼合物 90
4.6 快离子导体热电材料 92
4.7 氧化物热电材料 95
4.8 其他新兴热电材料体系 97
4.8.1 半Heusler合金 97
4.8.2 类金刚石结构化合物 100
参考文献 103
第5章 低维结构及纳米复合热电材料 110
5.1 引言 110
5.2 超晶格薄膜热电材料的制备与性能 110
5.2.1 超晶格热电薄膜的制备 110
5.2.2 超晶格结构的声子输运特征与热导率 112
5.2.3 超晶格的载流子输运特征与电性能 114
5.3 纳米晶热电薄膜材料的制备与性能 117
5.4 热电材料纳米线的制备与结构调控 119
5.5 热电材料纳米粉体的制备 120
5.6 纳米复合热电材料的制备与结构调控 125
5.7 典型纳米复合热电材料的结构调控与性能优化 126
5.7.1 CoSb3基方钴矿纳米复合材料 126
5.7.2 PbTe基材料的多尺度结构调控 128
5.8 总结 129
参考文献 129
第6章 导电聚合物及其纳米复合热电材料 137
6.1 引言 137
6.2 导电聚合物及其纳米复合材料的热电性能调控 137
6.2.1 导电聚合物热电性能概述 137
6.2.2 掺杂程度调节 141
6.2.3 聚合物分子链有序化 142
6.2.4 有机/无机界面效应 146
6.2.5 电荷迁移架桥 149
6.2.6 纳米插层超晶格结构 150
6.3 导电聚合物基纳米复合热电材料的制备方法 153
6.3.1 粉体混合法 153
6.3.2 溶液介质混合法 153
6.3.3 原位聚合法 155
6.3.4 层层自组装法 157
6.4 总结 158
参考文献 159
第7章 热电器件设计集成与应用 163
7.1 引言 163
7.2 热电器件基本结构与制备方法 163
7.2.1 热电器件基本结构与工作原理 163
7.2.2 热电器件的典型制造工艺 165
7.3 热电器件设计与评价 168
7.3.1 器件设计原理与方法 168
7.3.2 单级/多段器件结构设计 170
7.3.3 器件评价方法 173
7.4 界面设计与连接技术 176
7.4.1 电极材料的选择与电极连接技术 176
7.4.2 热电材料/电极过渡层与界面结构 178
7.4.3 界面电阻和界面热阻的测量 180
7.5 微型热电器件的设计与集成 182
7.5.1 微型器件基本结构与制造技术 182
7.5.2 微型热电器件性能与优化方法 183
7.6 器件应用与服役性能 185
7.7 挑战与展望 186
参考文献 186
关键词索引 190

在线试读
第1章 热电转换基本原理
　　1.1 引言
　　热电能量直接转换的第*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多年，佩尔捷效应*（Peltier effect）和汤姆孙效应*（Thomson effect）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[1-3]。尽管泽贝克效应与佩尔捷效应的发现均涉及由两种不同导体组成的回路并且均发生在不同导体的接点处，但它们都不是界面效应，后来发展起来的固体物理学告诉我们，包括汤姆孙效应在内的三个热电基础物理效应均起源于导体中的载流子所携带能量的差异。
　　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[3]。汤姆孙理论向人们揭示，具有正负泽贝克系数的两种导体构成的回路（热电偶）是一种热引擎，它可以利用温差发电，也可以利用电流泵浦热能或制冷。然而，由于可逆的热电效应总伴随着不可逆的焦耳热效应和热传导，使热电能量转换效率难以提高，热电偶除了测量温度的应用外，作为热引擎并没有实现实际应用，在相当长的一段时期，热引擎的设计也没有一个系统的理论来指导。直到1911年，Altenkirch第*次分析了热电能量转换效率与构成热电臂材料间物理参数（泽贝克系数、电导率、热导率）之间的关系[4]，指出提高转换效率必须提高构成热电臂导体材料的泽贝克系数的绝对值和电导率，同时还需要降低两种导体的热导率，基本形成了今天我们用以判断热电材料性能的重要判据——热电优值Z（figureOf merit）或无量纲热电优值ZT（dimensionless figureOf merit）的基础框架。
　　本章简要阐述热电转换物理效应与基本原理及热电能量转换效率与材料物理性质的关系。
　　1.2 热电转换物理效应
　　1.2.1 泽贝克效应
　　固体材料中热能直接转换为电能的物理现象首先由德国科学家Thomas Johann Seebeck于1821年发现，称为泽贝克效应，在此后的二三十年间，科学家全国科学技术名词审定委员会审定正式公布的专业术语。们又先后发现佩尔捷效应和汤姆孙效应，这三种物理效应和热焦耳效应构成了描述和解析热电能量转换过程的物理基础。
　　Thomas Johann Seebeck在实验中，将两条不同的金属导线首尾相连形成回路，当对其中的一个结加热、另一个结保持低温状态时，发现在回路周围产生了磁场，如图1-1（a）所示。他当时认为产生磁场的原因是温度梯度导致金属被磁化，因此称为热磁效应（thermomagnetism）。但随后不久，于1823年，该现象的物理解释被Hans ChristianOersted的实验更正。Oersted的实验发现，这种现象起因于温度梯度在不同材料的节点间形成了一个电势差Vab，从而产生了回路电流而导致导线周围产生磁场，据此提出热电效应（thermoelectricity）的概念。但该现象是由泽贝克首先发现而被命名为泽贝克效应。
　　图1-1 泽贝克效应
　　如图1-1（b）所示，两种不同的导体材料a和b连接时，如果两个接头具有不同温度，其中冷端温度为T，热端温度为T+.T，在导体b的两个自由端（保持相同温度）间可以测量回路中产生的电势差Vab，Vab可由式（1-1）来表达。式中，Sab为两种导体材料的相对泽贝克系数（differential Seebeck coefficient）；电势差Vab具有方向性，取决于构成回路的两种材料本身的特性和温度梯度的方向。规定当热电效应产生的电流在导体a内从高温端向低温端流动时 Sab定义为正。泽贝克系数也可称为温差电动势率（thermoelectric power或Thermal EMF coefficient）。
　　泽贝克效应的成因可通过温度梯度下导体内电荷分布的变化作简单解释。如图1-2所示，以p型半导体（空穴为多数载流子）为例，当材料处于均匀温度场时，其内部载流子的分布（浓度、能量和速度）是均匀的，材料整体处于电中性。当导体的两端存在温差时，热端（温度）的空穴比冷端（温度T）的空穴获得更高的能量，在热端形成更多的空穴，由于空穴浓度差导致其从热端向冷端扩散并在冷端堆积，形成材料内部电荷浓度的不均匀分布，从而在材料内部形成空间电场或电势差，同时在该电势差作用下产生一个反向漂移电荷流，当热运动的电荷扩散流与内部电场产生的漂移电荷流相等时达到动态平衡，半导体两端形成稳定的温差电动势V。
　　图1-2 泽贝克效应原理示意图
　　对于以上描述的温差电动势形成过程，可以定义材料在温度T的绝对泽贝克系数（S）为
　　图1-1（b）回路中测量的相对泽贝克系数Sab与a、b材料的绝对泽贝克系数（Sa、Sb）间存在如下关系：
　　绝对泽贝克系数与温度场方向无关，只与材料本身的性质有关。p型半导体中载流子是空穴，由于其热端空穴的浓度较高，空穴从高温端向低温端扩散，形成从高温端指向低温端的温差电动势，根据式（1-1）～式（1-3）的定义和规定，绝对泽贝克系数为正。相应地，n型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端的，绝对泽贝克系数为负。通常情况下，金属的泽贝克系数都很小，只有几微伏每开，而半导体材料泽贝克系数可达到几十到几百微伏每开。
　　1.2.2 佩尔捷效应
　　佩尔捷效应是泽贝克效应的逆过程，是用电能直接泵浦热能的现象。当在由两个不同导体连通的回路中通电流时，除了由电阻损耗产生焦耳热外，在两个接头处会分别放出和吸收热量（图1-3）。这个效应由法国科学家J.C.a.Peltier于1834年首先发现，因此称为佩尔捷效应。他将铋（Bi）和锑（Sb）两种金属线相连接并在此回路中通电流后发现，两种金属接头处变冷使水滴结冰，如果改变电流方向则接头变热，冰被融化［图1-3（a）］。
　　图1-3 热电材料与器件 下载 mobi epub pdf txt 电子书 格式

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