利用电子态密度畸变增大热电材料的优值系数 热电能量转换是一种全固态技术。采用这种技术打造的发电装置以及热泵,利用电子作为工作流体(取代传统热机中的物理液体和气体),这使得装置中没有运动部件;进而,使之具有多方面竞争优势:可靠、运行中无震动、无噪声、高的功率密度。这类装置所完成的,是热(或温度梯度)与电功率(或电压)之间的直接转换,无须通过机械装置的中介,因而特别有利于:在小尺度和中等功率的应用(如废热以及太阳能转换)中保持其工作效率。不幸,上述优势受到了现有热电材料性能的制约。半个世纪以来,相关应用一直没有全面展开。 热电材料性能的优劣取决于优值系数 ZT 的大小,其中 Z 正比于 Seebeck 系数 S 2 与电导率 s 的乘积,反比于热导率 k , T 是绝对温度。为提高 ZT ,近年来的研究努力主要集中在:制备纳米非晶结构,减小材料热导的晶格贡献。尽管已经有 ZT 值从 1 提高到 2 的相关成果报告,但所涉及的超晶格或纳米技术,不可避免地制约着实际应用(为使器件具有一定的功率,往往需使用大块材料)。 此外,由于声子的平均自由程不能小于原子间距,减小 k 的愿望还将受到材料固有极限值的挑战。最近,来自美国 Ohio 洲立大学的 J. P. Heremans 等 , 在传统材料 PbTe 中掺入微量的 ( 约 2%) III 族元素 Tl , 从而使得 ZT 值在 T = 750K 附近有了成倍的提高。 他们的技术路线是基于 Mahan-Sofo 理论, 即: Seebeck 系数 S 强烈地依赖于 Fermi 能级 E F 附近,载流子态密度 n ( E ) 随能量 E 的变化率, d n ( E )/d E 。研究者观察到,当 Tl 掺杂含量适当, Tl-Pb-Te 合金的 n ( E ) 在 E E F 处大大增强,同时 d n ( E F )/d E 达到极大。 ( 戴闻 编译自 Science 321 (2008): 554-557)