氧化钛基半导体热电材料的研究进展.pdf

氧化钛基半导体热电材料是近年来研究的热点，主要用于中高温区域的热能与电能之间的直接转换。热电材料，又称塞贝克材料，利用塞贝克效应将热能转化为电能，反之亦然，为解决能源和环境问题提供了新途径。然而，传统三维材料的热电性能受关键物理参数的相互关联限制，导致热电优值（ZT）难以提高。 金属氧化物作为热电材料的一大类别，因其优越的耐高温性能，成为了中高温区应用的理想选择。氧化钛基材料因其化学稳定性和热稳定性良好，原料丰富且无毒，制备工艺相对简单，成为研究焦点。尤其是，通过纳米化处理，可以显著降低材料的热导率，这是近二十年来提升热电性能的重要策略之一。纳米结构的引入能够增加声子的散射，从而降低热导率，而保持或提升电导率，有利于提高ZT值。 在氧化钛基热电材料的研究中，科研人员发现钛酸盐纳米管具有较大的塞贝克系数，这得益于一维纳米材料独特的空心结构和层状构造，使得热导率和电导率可以分别独立调控。通过界面和化学组成的调控，可以进一步增强与电学性能相关的功率因子，以提升热电性能。例如，合成氧化钛基纳米复合材料，研究界面对于载流子和声子散射的影响，提出了利用载流子能量过滤效应来优化热电性能。 此外，通过尿素燃烧法和高温烧结等合成方法，可以得到具有纳米结构和化学组成调控的氧化钛基化合物，这有助于理解化学组成和界面对于声子输运的影响规律。载流子非对称迁移理论也被引入，以显著提高热电材料的功率因子，这一理论认为在材料中不同类型的载流子（电子和空穴）迁移率的差异可以增强塞贝克效应，从而改善热电性能。 氧化钛基半导体热电材料的研究涵盖了纳米结构设计、界面调控、化学组成优化以及载流子输运机理等多个方面，旨在开发出高效率的热电转换材料，这对于能源回收、环保和可持续发展具有重要意义。随着技术的不断进步，未来有望实现更高效的热电转换，为清洁能源领域带来新的突破。