隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇，社會對環(huán)保、節(jié)能以及能源重復(fù)利用的需求在不斷增加。日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境問題使高溫工業(yè)廢熱的回收利用成為萬眾矚目的焦點(diǎn)。在此背景條件下，性能優(yōu)異的熱電材料在電熱能的轉(zhuǎn)換上存在著重要的實(shí)踐應(yīng)用前景。

什么是熱電材料？

熱電材料是一種用能來實(shí)現(xiàn)熱能和電能的直接相互轉(zhuǎn)換的新型功能材料，也是一種新型半導(dǎo)體能源材料，用不同組分的N型和P型熱電體可組成的半導(dǎo)體制冷和溫差發(fā)電裝置。1823年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)和1934年發(fā)現(xiàn)的帕爾帖效應(yīng)為熱電能量轉(zhuǎn)換器和熱電制冷的效應(yīng)提供了理論依據(jù)。熱電材料具有交叉耦合的熱電輸送性質(zhì)，可以組成溫差發(fā)電器件和半導(dǎo)體制冷裝置。

目前關(guān)注較多的熱電材料有3種：合金半導(dǎo)體、金屬固溶體及氧化物陶瓷。研究比較多的主要包括過渡金屬氧化物和非過渡金屬氧化物。比之金屬熱電材料，氧化物的電導(dǎo)率比較低。

氧化物陶瓷熱電材料的優(yōu)點(diǎn)：

（1）成本低。合成氧化物熱電材料的原料來源廣，制備工藝工程簡單，對設(shè)備沒有特殊需要。比如無需真空、氣氛保護(hù)等環(huán)節(jié)。

（2）耐高溫、不易氧化。氧化物材料自身有化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，制備的熱電材料可以在高溫和特殊條件下工作。沒有毒性，也不會產(chǎn)生輻射。

因?yàn)檠趸餆犭姴牧献陨淼膬?yōu)勢特點(diǎn)使得研究人員對其關(guān)注，因此加強(qiáng)對氧化物陶瓷熱電材料的物性研究，是具有積極現(xiàn)實(shí)意義的。經(jīng)試驗(yàn)表明，為了提高氧化物的導(dǎo)電性能，可以分別摻雜堿金屬Na，Li，K；稀土Ce，Nd，Sm，Gd等；堿土金屬Ca，Mg，Sr等元素。目前氧化物陶瓷主要采用固相反應(yīng)合成。

提高氧化物熱電材料性能主要有以下途徑：

（1）改變熱電材料物性以降低熱導(dǎo)率。材料的熱導(dǎo)率由電子熱導(dǎo)率和聲子熱導(dǎo)率兩部分組成。氧化物熱電材料要有比較高的電導(dǎo)率，也會限制對材料電子熱導(dǎo)率的調(diào)節(jié)。不過一般氧化物熱電材料中電子熱導(dǎo)率占總熱導(dǎo)率的比較很小。通過調(diào)節(jié)聲子熱導(dǎo)率就能調(diào)節(jié)材料的熱導(dǎo)率，從而達(dá)到提高材料的熱電性能的目的。材料聲子熱導(dǎo)率與材料內(nèi)部的聲子散射有關(guān)。

（2）材料的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合化。納米結(jié)構(gòu)復(fù)合化就是在材料中摻入納米尺寸的雜質(zhì)相。把氧化物熱電材料和納米雜質(zhì)復(fù)合就能制備具有納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物熱電材料。其顯著提高材料熱電性能的原因在于，利用聲子散射效應(yīng)就可以降低材料的聲子熱導(dǎo)，同時利用彌散在基體中納米顆粒的滲流效應(yīng)與特殊界面效應(yīng)就能提高材料的電導(dǎo)率。

（3）把氧化物熱電材料做成多晶材料。通過這個辦法，盡可能降低多晶材料的晶粒尺寸至納米級尺寸，通過材料低維化來改善材料的輸運(yùn)性能，降低聲子熱導(dǎo)率，從而提高材料的熱電性能。經(jīng)過計算驗(yàn)證，材料的熱導(dǎo)率將隨著材料層厚度的降低而降低。多層取向不同的納米級超晶格的材料會有很高的熱電轉(zhuǎn)換效率。由此可見，晶粒細(xì)化可以明顯降低材料的熱導(dǎo)率，低維化也將成為高性能熱電材料的發(fā)展方向之一。

（4）摻雜修飾材料的能帶結(jié)構(gòu)。通過摻雜增大材料帶隙與費(fèi)米能級附近的狀態(tài)密度，以提高載流子的遷移率和濃度，使載流子處于最佳濃度，增加缺陷對聲子的散射，降低熱導(dǎo)率，提高熱電優(yōu)值。較大原子量能夠降低原子振動頻率以及聲子熱導(dǎo)率，需要盡量選用原子量較大的摻雜劑。

（5）采用元素取代或替代的方法。在氧化物陶瓷材料中，有一些具有高溫超導(dǎo)電性，比如銅氧化物的高溫超導(dǎo)電性。用元素取代或替換能夠衍變生產(chǎn)各種可能具有超導(dǎo)性的復(fù)合物。