关键词：热电效应；热电优值；应用；策略
将热能有效的转化为电能发展历史就较为悠久，在这其中最为重要的就是温差电现象。但是，因为金属温差电动势并不大，只是在测量温度上得以应用。而热点效应的不同应用方法，对于热能和电能之间的转化也有所不同。所以，就应该对其热电效应应用进行研究，了解提高热电优值的方法。
一、热电材料应用内容
热电转换主要是利用半导体材料来将热能和电能互相转换，在这其中热电效应包括塞贝克、帕尔贴和汤姆逊这三种效应[1]。随着环境保护目的的不断重视，开发清洁能源已经成为当前科学研究的重点。热电转化技术有着体积小、不破坏环境等等优点，被人们越来越重视。利用自然环境下的温度和工业运行中的废热都能够用来进行热电发电。这种方法是一种非污染性的方法，具有较高的社会效益。利用帕尔贴效所制作的相关仪器自身性能要大大好于机械设备。因为自身无媒介，不会产生噪音，所以就不会污染环境。热电技术是利用太阳能中的热量进行发电，比如在太空中的探测器来说，其发电方法就是利用太阳能来实现。
在近几年发展过程中，热电器件微型化是当前热电转化领域的重要发展方向，随着集成电路的不断优化，微电子系统的功耗已经越来越少，那么这些微电子系统就急需一种能够代替化学电池的技术[2]。另外，散热也是电子器件的主要研究内容，随着微电子器件体积的不断减小，器件自身的集成度也在不断提升，那么就很容易导致微电子局部的温度过高，而通过热电制冷器件就能够很好的降低微电子的温度，这也是微电子对热电材料的重要需求。
二、热电材料性能和影响因素
热电材料的性能大多都是由热电优值所表示，计算方法就是电子热导率和晶格热导率之和，在应用热电材料时，热电材料的ZT值应该能够达到3，在这其中会受到浓度的影响。假如，浓度对电子和声子没有影响，只是改变体系的化学性质，那么ZT值就只是有电子所决定，也就是质量因子。质量因子掺入浓度就会得到一个热电优值。想要最大程度上提升这个优值，就必须要提高质量因子，通过多个方面来对电声进行运输，这样才能够优化热电性能。
（一）降低有效质量
热电性能会受到有效质量的影响，所以适当的降低惯性，就能够更好的提高热点性能。对于各种不同性能的惯性来说，其有效质量就等于对热电性能的影响，在能带极值处能够反对应曲率。
（二）提高能带简并度
能带是影响运输效率的重要因素，那么简并能带就能够为运输提供多种方法，并且在这过程中还不会影响到相应参数[3]。将能带简并是将多个能量控制在合理范围内。在室温附近就可以被认为是等效简并，在这其中包含着两种不同的简并。通过对其实践就能够证明，不管是掺杂还是外力都会形成简并，如果在主要实施材料中存在能带，那么就能够在这其中形成共振等级，并且改变其附近的态密度，更好的提高所对应的参数。
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（三）减小晶格热导率
在了解质量因子过程中，必须要充分的考虑到电子自身的热导率，而在实验结束后最终能够获取到理想效果的也只有含有晶格的热导率[4]。对于半导体来说，其传热方式是通过声子所完成，通过掺杂各种不同问题的物质来改变势场，进而加快对声子的散射。例如，纳米尺度散热，在这其中就是纳米颗粒因为受到外界或者是内部环境的影响所出现的变化。
（四）减小偶极作用
在一定温度下，会存在少数的载流子，而这些载流子会通过热激发穿过能隙，进而混合不同物质，形成混合载流子，而这种形式会直接影响到功率因子，让其无法随着温度不断升高而升高。还会在这过程中形成偶极效应，进而增加热导率。如果在这其中其它的数据不发生变化，那么通过对禁带宽度的提升，就能够获得更多的ZT值。提升禁带宽度主要可以通过外力或者是形成合金的方法来实现。
三、硒化锡材料热电优值提高方法
当前，应用较为广泛的热电材料就是碲化铅，那么从碲的资源情况和铅的兼容性两方面来看，碲化铅受到周围环境的影响较大。这样就需要研制出一种理想的热电材料，让其能够具备较好的性能，并且还应该保证所需要用到的材料资源丰富。国外相关研究团队曾经利用一种常见的材料在相应温度中得到理想的ZT值，创造出当前所具有最高回收效率的热电材料。SnSe是当前所有元素中资源丰富而且对于人们身体没有影响，成本较低，很容易实现量化，相比于碲化铅来说更加具有吸引力[5]。SnSe是发展潜力较大的一种材料，但是在这其中还存在着一个问题没有解决，这种材料在750k温度下，ZT值并不高。而如果将温度低于750k时。其热导效率就能够得到很好的提升，这样就导致这种材料的使用范围受到严重影响。例如，如果想要获取较高数值，那么就应该保证载流子的浓度角度，而想要达到这样的要求就会导致电导率降低。在提高电导率过程中，会导致电子热导率变高，这样不利于ZT值的增加。
因此，为了能够更好的提高热电性能，就开发出更多线路，例如能带功能和多尺度材料功能，在这其中特别是低维材料的功率因子很容易实现独立控制，其热电性能能够得到较大提升。与此同时，热点期间的微型化也需要在这其中利用纳米技术，具有地位结构的材料包括纳米带、纳米线等等，能够很大程度上散射声子，减少声子的自由程，通过控制材料的尺寸就能够提高电子密度，优化电子运输性能。
对于硒化锡来说，首先可以先利用薄膜厚度、外力作用来对热电性能进行调控。虽然SnSe这种材料并没有较多的范德瓦尔斯力，但是对于热电性能依然有着非常大的作用，能够减少非简谐相互作用，通过对层数的控制就能够调节层数之间的互相作用力，进而优化电子运输效果。通过对热电优值的提升，让声子晶体能够禁止在某些频率的传播[6]。通过调节纳米结构，能够增加声子散射，减少热导率，通过对纳米孔的具体排列，可以让其不再影响电子的正常运动，进而不改变电运输性质，真正提高热电材料的ZT值。
结语：
总而言之，热电材料在发电、制冷等等多个行业都有着非常大的发展前景。而且因为自身具备无污染、噪音小、安全性高等等特点越来越受到人们的关注。对于热电材料中的半导体来说，已经将其运用于汽车尾气处理、海岸悬灯等等多个方法，取得较好的效果。相信在未来发展过程中，热电材料一定会更好的发挥自身作用，为社会的发展贡献自己一份力量。
参考文献：
[1]苏佳文. 飞行器热电材料及热电效应的分析[D].哈尔滨工程大学,2019.
[2]佘晓羽. p型Mn基化合物MnX(X=Si,Te)的制备及热电性能研究[D].武汉理工大学,2018.
[3]王明月. 多晶碲化铋基热电材料与微器件研究[D].浙江大学,2018.
[4]文强. Bi位和Cu位双掺杂优化层状BiCuSeO基热电材料性能研究[D].南京理工大学,2018.
[5]陈建勇.热电效应的应用及热电优值提高策略[J].物理通报,2017(08):123-125.
[6]康宇龙. CoSb_3基和层状Bi_2Se_3热电材料的高压合成及性能研究[D].燕山大学,2017.
论文作者:王常凯
论文发表刊物:《科学与技术》2019年19期
论文发表时间:2020/4/28
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