一、ZT值的定義與意義
ZT值（熱電優(yōu)值）是衡量材料熱電性能的核心指標，公式為： ZT=S2σTκZT=κS2σT?
- S（塞貝克系數(shù)）：材料兩端溫差產(chǎn)生的電勢差（μV/K）。
- σ（電導(dǎo)率）：載流子遷移能力（S/m）。
- κ（熱導(dǎo)率）：總熱導(dǎo)率（κ = κ? + κ?，含電子和聲子貢獻）。
- T（絕對溫度）：工作溫度（K）。
目標：通過提升S²σ（功率因子）并降低κ，實現(xiàn)ZT值最大化。
二、碲化鉍（Bi?Te?）的典型ZT值
碲化鉍是室溫附近性能最優(yōu)的熱電材料，其ZT值因摻雜類型和結(jié)構(gòu)不同而有所差異：
| 材料類型 |
溫度范圍（K） |
ZT值（峰值） |
應(yīng)用場景 |
| p型 Bi?Te?（Sb摻雜） |
300-400 |
1.0-1.2 |
熱電制冷（如半導(dǎo)體制冷片） |
| n型 Bi?Te?（Se摻雜） |
300-400 |
0.8-1.0 |
溫差發(fā)電（低品位熱能回收） |
對比其他材料：
- PbTe（中溫）：ZT~2.0（700K）。
- SnSe（高溫）：ZT~2.6（923K）。
- Bi?Te?優(yōu)勢：室溫（300K）下性能最佳，適合小型化制冷/發(fā)電。
三、優(yōu)化Bi?Te?的ZT值策略
1. 電子傳輸優(yōu)化
- 載流子濃度調(diào)控：通過摻雜（如Sb、Se）將載流子濃度調(diào)整至10¹?-10²? cm?³，平衡σ與S。
- 能帶工程：引入共振能級（如Te空位）增強S，同時維持高σ。
2. 聲子散射降低熱導(dǎo)率
- 納米結(jié)構(gòu)設(shè)計：
- 納米晶化：晶粒尺寸≤50nm，增強晶界散射，降低κ?（如Bi?Te?/Sb?Te?超晶格κ?≈0.5 W/m·K）。
- 缺陷工程：引入點缺陷（如合金化Bi?Te?.?Se?.?）或位錯，抑制聲子傳播。
3. 材料復(fù)合與界面優(yōu)化
- 低維材料復(fù)合：
- 石墨烯/Bi?Te?：提升σ（+30%）且界面散射降低κ?。
- 拓撲絕緣體復(fù)合：利用表面態(tài)增強S（如Bi?Te?/Bi?Se?異質(zhì)結(jié)）。
4. 最新研究進展
- 單晶Bi?Te?薄膜：分子束外延（MBE）制備，ZT~1.5（300K）。
- 柔性熱電材料：柔性基底上的Bi?Te?納米線陣列，ZT~1.0，適用于可穿戴設(shè)備。
四、應(yīng)用與挑戰(zhàn)
1. 典型應(yīng)用
- 半導(dǎo)體制冷片：基于p-n型Bi?Te?模塊，溫差ΔT可達60-70℃。
- 廢熱發(fā)電：汽車尾氣、工業(yè)余熱回收（效率約5-8%）。
2. 技術(shù)瓶頸
- 成本與毒性：Te元素稀缺且有毒，需開發(fā)低Te含量合金（如BiSbTe）。
- 機械強度：納米化材料易脆，需通過復(fù)合材料增強（如碳纖維/Bi?Te?）。
五、總結(jié)
碲化鉍的ZT值在室溫下可達1.0-1.2，通過摻雜、納米結(jié)構(gòu)設(shè)計及復(fù)合材料開發(fā)可進一步提升性能。未來研究方向包括低維材料、柔性器件及環(huán)境友好型合金的開發(fā)，以推動其在能源轉(zhuǎn)換與微電子冷卻中的廣泛應(yīng)用。
CMA認證
檢驗檢測機構(gòu)資質(zhì)認定證書
證書編號：241520345370
有效期至：2030年4月15日
CNAS認可
實驗室認可證書
證書編號：CNAS L22006
有效期至：2030年12月1日
ISO認證
質(zhì)量管理體系認證證書
證書編號：ISO9001-2024001
有效期至：2027年12月31日
掃一掃，更多精彩