硅锗热电材料的研究现状

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　　摘 要：SiGe合金作为一种传统的高温区热电材料，具有热稳定性高、熔点高、抗氧化能力强等优点。本文重点论述了硅锗热电材料的研究進展、技术难题及解决方案，并对未来发展进行了展望，以期为相关学者的研究提供参考。
　　关键词：热电材料;硅锗合金;热电性能
　　Abstract： As a traditional thermoelectric material in high temperature zone， SiGe alloy has the advantages of high thermal stability， high melting point and strong oxidation resistance. This paper focused on the research progress， technical problems and solutions of silicon germanium thermoelectric materials and prospected the future development. The author hope this study can provide reference for relevant scholars.
　　Keywords： thermoelectric materials;SiGe alloy;the thermoelectric performance
　　目前，资源短缺的问题已然成为亟待解决的世界性难题，各国都在积极探寻新的发电方式以减缓能源消耗的压力。半导体温差发电是一种绿色环保、对环境无危害的新型发电技术，其发电设备具有结构简单、成本低廉、无噪音、无运动部件、使用寿命长等优点，具有非常广阔的市场应用价值，广大研究者长期以来一直致力于探索具有更优良热电性能的热电材料。
　　1 热电材料
　　温差发电的基本原理来源于半导体塞贝克效应。把P型（空穴）半导体和N型（电子）半导体的一端相连接，形成一个PN结，将一端放置于热源附近形成热端，另一端放置于冷源附近形成冷端。在热激发的作用下，热端的空穴和电子浓度增高，向冷端扩散，形成电势差，连接上负载便可产生电流[1]。Altenkirch[2]提出采用无量纲参数ZT衡量热电材料的热电性能（Z是优值，T是热力学温度）：
　　其中，[α]为塞贝克系数;[σ]为电导率;k为导热率。优值Z越大，材料的热电转换效率就越高。常用热电材料按照使用的温度条件大致可分为低温区材料
　　Rosi等[6]首次提出SiGe具有热电性能的理论，引发了众多学者对SiGe的研究。井群等[7]对室温下硅锗合金的热电性能进行了分析研究，认为在一定范围内，Ge含量的增加能够改善合金的热电性能。美国宇航局采用区熔法[8]制备了SiGe合金，并将之用作放射性同位素电池基体材料，发电功率可达到上百瓦[9]。美国国家喷气实验室[10]研究发现，用GaP掺杂n型SiGe合金后，其功率因子可以提高20%～30%。Cook[11]采用行星球磨的方法来使硅和锗合金化，经机械球磨后，预测无纳米相的n型SiGe合金的理论ZT值可达1.1。硅锗合金理论ZT值虽然较高，但由于制备工艺等缺陷，实际的ZT值要低于理论值，P型为0.5，n型为0.93[9]。
　　国内，龚晓钟[12]等以硅粉、锗粉为原料，利用高能球磨法，通过改变球磨参数制备硅锗合金，熔点约为1 388℃。卢瑞明[13]等采用熔体旋甩结合放电等离子活化烧结技术快速制备了n型Si90Ge10P0.5合金，在950K时，ZT值达到0.7。
　　3 SiGe合金材料的技术难点及解决方案
　　Si和Ge元素虽然具有较高的功率因子，但热导率较高，因此作为单质使用时热电性能均不理想。若将两者合成为固溶体合金，热导率则会明显下降，并且载流子的迁移率没有产生较大变化，使其具有较高的ZT值。这主要是因为晶格点阵中出现了大量的点缺陷，使晶格产生形变，导致传热声子被散射，使热导率下降和ZT值升高。热电材料的ZT值与功率因子及热导率k相关。要实现ZT值的增加，必须增加功率因子、降低导热率。然而，对于大多数材料来说，两者同向变化，很难独立调控，这是目前研究的重点与难点。
　　为了提升材料的ZT值，需要从材料的电学性质和热学性质入手，平衡地优化各项性能参数。研究者多采用掺杂、纳米结构的方法来改善材料热电性能，大致如下。①采用组分掺杂提高材料载流子浓度，进而提高SiGe合金热电性能。②使用低维纳米结构提升ZT值。材料热量的传输分为两个部分：一部分是载流子导热[ke];另一部分是晶格导热即声子导热[kp]。③采用超晶格结构降低材料导热率。
　　4 总结
　　随着纳米技术及晶体材料合成技术的发展，SiGe合金的ZT值将进一步提高，实现突破性进展，在热电技术应用领域具有广阔的发展前景。虽然SiGe合金热电转化率仍较低，但未来可以从以下五方面着手提高热电转换效率：①深入研究SiGe合金的多种制备方法，包括直拉法、区熔法、烧结法和气相生长法等，通过测试比较找出最优的制备方法;②SiGe合金中的Ge的浓度对合金热电性能有较大影响，会影响载流子的迁移率，所以需要找到最优性能时Ge的含量比例;③在塞贝克系数和材料电性能平衡的基础上，找到使ZT值最大化时的载流子浓度;④在塞贝克系数和材料电性能平衡的基础上，找到使ZT值最大化时的载流子浓度;⑤平衡好材料电性能和热性能之间的相互影响，找到更适合的掺杂剂，使材料尽可能获得更大的ZT值。
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