一种热电材料，包含具有第一导电组分和第二低热导率组分的复合材料。第一组分可以包括半导体，第二组分可以包括无机氧化物。该热电复合材料包括所述第一组分的网络，其中所述第二组分的纳米颗粒分散在该网络中。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有热电性能的材料并涉及热电器件。
技术介绍
热电器件可用于由热梯度(例如利用塞贝克效应(Seebeck effect)的热电发电 器)得到电能，或者用于由电能产生热梯度(例如利用珀尔帖效应(Peltier effect)的热 电致冷器)。以下论述针对于塞贝克效应，但总的原理也适用于珀尔帖效应的应用。典型的热电器件由多个单偶(imicouple)构成，它们典型地是成对的导热p_型 (P)和η-型(N)半导体。这些单偶串联地电连接且并联地热连接。理论上，热能向电能的 最大转化效率通过下式给出c —(Th-Tc) λ/1+ZT平均一 1最大Th其中Tto= (TH+TC)/2为平均温度，Z为品质因子，定义为ζ = S2 σ / K。品质因子 Z取决于材料的宏观输运参数，即塞贝克系数(S)、电导率(σ )和热导率(K )。具有大的塞 贝克系数、高的电导率和低的热导率的热电材料提供了大的品质因子。塞贝克系数还定义为开路电压与表现出塞贝克效应的电路的热接点和冷接点之 间温差的比率，或者S = V/(Th-Tc)。因为Z随温度变化，所以有用的无量纲品质因子可定 义为ZT。到20世纪50年代末，发现最佳的块体热电材料是碲化铋和锑的合金，其给出室温 约为1的ΖΤ。在过去的40年中，热电领域的工作者一直试图改善该品质因子，但没有太大 的进展。因为三个参数S、ο和κ均与自由载流子的浓度有关，并且通常不是独立的，所以 提高ZT是困难的。例如，掺杂通常提高半导体的电导率，但却降低其塞贝克系数并且提高 热导率。通过合金化减小晶格热导率的尝试也由于提供额外的散射机制而降低电导率。MIT的Dresselhaus和合作者在理论上证明了热电材料纳米线内的电子和声子 的量子限制可提高ZT值。如果纳米线的直径为5-lOnm，则1维(I-D)纳米线特别可达到 约等于2-5的ZT。已经研究了某些结构，例如在以下文献中所描述的=Heremans, J. P.等 人，"Thermoelectric Power of Bismuth Nanocomposites" ；Phys. Rev. Lett. ；2002,88, 216801 ；Venkatasubramanian, R.等人"Thin-film thermoelectric devices with high room temperaturefigures of merit" ；Nature ；2001,413, 597-602 ；Harman, Τ. C.等人， “Thermoelectric quantum dot superlattices with high ZT" ；Electron.Mater. ；2000, 29, L1-L4 ；Rabin, 0.等人，‘‘Anomalouslyhigh thermoelectric figure of merit in BihSbx nanowires bycarrier pocket alignment";APL ；2001, 79,81-83 ；禾口Dresselhaus,M. S. ^A, "Low-dimensional thermoelectric materials” ；PSS ;1999，41，679_682。然、 而，这些方法并没有提供制造大型的、低成本的热电器件的简单方法。传统的半导体器件的 制造方法不适于制造块体样品，并通常是昂贵的。在汽车中，约70%源自燃料的能量损失在废热和引擎冷却上。燃料燃烧所提供能 量的仅小部分得到利用，大量的热能被废弃。由于不断增加的能源危机，汽车工业中的废热 能回收成为大的挑战。将热能转化为电能的热电转化可以成为从否则被浪费的热产生中获 得电能的有效方法。然而，目前直接的热向电转化(DTEC)的技术面临两个主要挑战即低 的转化效率和不足的功率密度。因此，迫切需要具有高的热电转化效率的改良材料和器件。专利技术概述一种热电复合材料，包含两种或更多种组分，其中至少一种组分为热电材料。该热 电复合材料具有提高热电组分的品质因子的纳米级结构。在一个实施例中，热电复合材料可包含第一组分和第二组分。第二组分可具有显 著小于第一组分的电导率和高于第一组分的熔化温度。该热电材料可以包含第一组分的网 络，第二组分的纳米颗粒分散在该网络中。在另一方面，一种形成热电材料的方法，包括提供第一组分和第二组分。可以将所 述第一和第二组分混合以形成分散的混合物。可以在第一组分的熔点附近的温度下烧结该 分散的混合物以形成第一组分的网络，第二组分的纳米颗粒分散在该网络中。第一组分可 以是半导体材料，第二组分可以是无机氧化物。附图简要描述附图说明图1是在发电模式下操作的热电单偶的示意图，其中Th和T。分别代表热壁温度和 冷壁温度；图2显示了用于高效率热电器件的纳米结构材料构造的示意图；图2A显示了可用于图2器件的可能的纳米结构材料构造的细节；图3显示了典型感胶离子体系(lyotropic system)的表面活性剂/水/油相图 的示意图；图4是通过硅酸盐/表面活性剂共组装形成中孔二氧化硅的示意图；图5A说明了通过使用中孔氧化物模板的受限电沉积制备的半导体/陶瓷纳米复 合材料；图5B显示了使用三电极电路和中孔二氧化硅模板电沉积纳米线的示意图；图6显示了电沉积的Bi2Te3纳米线的TEM图像；图7显示了电沉积的Bi2Te3纳米线的HRTEM图像；图8A显示了 Bi2Te3-中孔二氧化硅复合材料的TEM图像；图8B显示了使用HF除去二氧化硅模板后的Bi2Te3纳米线的TEM图像；和图8C和8D显示了 Bi2Te3纳米线的HREM图像；图9A和9B显示了中孔二氧化硅薄膜的典型TEM横截面图像；图10说明了填充有半导体纳米线和半导体纳米颗粒的陶瓷颗粒混合物，其可用 于形成根据本专利技术一个实施例的复合材料；图11说明了由混合颗粒形成的热电复合材料；图12A显示了在从如插图所示的盘体样品除去SiO2后的Bi2Te3纳米线网络的TEM图像；和图12B展现了图12A中所示的纳米线网络的高分辨TEM图像；图13A显示了 Bi2Te3网络的TEM图像，其中SiO2颗粒分散在所述网络中；图13B显示了 PbTe网络的TEM图像，其中TiO2颗粒分散在所述网络中。专利技术详述本专利技术的实施例包括具有高品质因子的热电材料，其可用于具有高转化效率的热 电器件。根据本专利技术的实施例热电材料是包含第一组分和第二组分的复合材料。第一 组分可以是半导体或其它导电体，并被纳米结构化使得量子限制效应调整第一组分的性 能。第一组分的例子包括任何常规的块体热电材料(即，在块体内具有显著热电性能的 材料)。可基于所要求的期望工作温度范围选择该材料。可以选择用于第一组分的材 料包括碲化铋和其合金、铋-锑化合物(其可称作铋锑合金或碲化铋)、碲化铅(PbTe)、 TAGS ((TeGe) ^x (AgSbTe) x式的合金，其中χ约为0. 2)、硅锗合金(SiGe)、以及方钴矿材料例 如LaFe3CoSb12和CeFe3CoSb12。第一组分可以是任何半导体硒化物或碲化物。其它材料在 别处加以论述。例如，第一组分可以是碲化铋和锑的合金，或者是在块体中具有约为1的无量纲本文档来自技高网...
【技术保护点】
（原始）一种热电器件，包含：第一电接触部；第二电接触部；和位于所述第一电接触部和所述第二电接触部之间的电通路内的块体热电材料，所述块体热电材料包含：第一组分，第二组分，该第二组分具有显著小于第一组分的电导率和高于第一组分的熔化温度，所述热电材料包含所述第一组分的网络，所述第二组分的纳米颗粒分散在该网络中。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：张敏娟，Y卢，
申请(专利权)人：丰田自动车工程及制造北美公司，
类型：发明
国别省市：US
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