納米技術(shù)在能源方面的應(yīng)用

1、納米材料在能源方面的應(yīng)用現(xiàn)今的能源問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫，各國(guó)也在開(kāi)發(fā)新能源，力求解決能源危機(jī)。為此，納米技術(shù)也被眾多學(xué)者研究作為解決能源危機(jī)的途徑，如利用納米材料可使在太陽(yáng)能方面的利用率可以達(dá)到 40%，然而普通材料只有 20%；納米材料在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用 ，納米材料能提高內(nèi)燃機(jī)中的燃油利用率，等等很多方面都有應(yīng)用，本文著重介紹納米技術(shù)在熱電材料方面的應(yīng)用。熱電材料 熱電材料進(jìn)入 21 世紀(jì)以來(lái)，隨著全球工業(yè)化的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求不斷增長(zhǎng)

2、，在近百年中，工業(yè)的消耗主要以化石類(lèi)能源為主。人類(lèi)正在消耗地球 50 萬(wàn)年歷史中積累的有限能源資源，常規(guī)能源已面臨枯竭 6 全球已探明的石油儲(chǔ)量只能用到 2020 年，天然氣只能延續(xù)到 2040 年左右，煤炭資源也只能維持 2300 年左右 6 且這兩種化石燃料，在使用時(shí)排放大量的 CO2、SO2 等有害物質(zhì)，嚴(yán)重污染了大氣環(huán)境、導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨。引起全球氣候變化，直接影響人類(lèi)的身體健康和生活質(zhì)量，嚴(yán)重污染水土資源。因此，開(kāi)發(fā)新型環(huán)保

3、能源替代材料已越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視【1】。熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，1823 年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)和 1834 年發(fā)現(xiàn)的帕爾帖效應(yīng)為熱電能量轉(zhuǎn)換器和熱電制冷的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。如隨著空間探索興趣的增加、醫(yī)用物理學(xué)的進(jìn)展以及在地球難于日益增加的資源考察與探索活動(dòng)，需要開(kāi)發(fā)一類(lèi)能夠自身供能且無(wú)需照看的電源系統(tǒng)，熱電發(fā)電對(duì)這些應(yīng)用尤其合適。熱電材料是一種有著廣泛應(yīng)用前景的材料，在環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，進(jìn)行

4、新型熱電材料的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。雖然其優(yōu)點(diǎn)眾多，但利用熱電材料制成的裝置其效率(<5%)仍遠(yuǎn)比傳統(tǒng)冰箱或發(fā)電機(jī)小。電熱材料需要有高導(dǎo)電性以避免電阻所引起電功率之損失，同時(shí)亦需具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)以使冷熱兩端的溫差不會(huì)因熱傳導(dǎo)而改變。材料的熱電效率可定義熱電優(yōu)值(Thermoelectric figure of merit)ZT 來(lái)評(píng)估:ZT =， S2Tσ/K低微納米結(jié)構(gòu)熱電材料 低微納米結(jié)構(gòu)熱電材料90 年代初期, Hicks

5、 和 Dresselhaus 等提出了引入“量子阱”(quantum-well)等特殊結(jié)構(gòu)提高材料熱電性能的思路, 其目標(biāo)是通過(guò)材料尺寸優(yōu)化實(shí)現(xiàn)費(fèi)米能級(jí)附近電子態(tài)密度的提高與調(diào)控, 從而實(shí)現(xiàn) Seebeck 系數(shù)的提升；同時(shí), 由于納米尺度的微結(jié)構(gòu)缺陷的引入, 聲子傳輸散射作用增強(qiáng), 有利于降低晶格熱導(dǎo)率. 基于這一思路, 在一些超晶格納米線、超晶格薄膜材料中部分地實(shí)現(xiàn)了 Seebeck 系數(shù)和電導(dǎo)率的獨(dú)立調(diào)控. 進(jìn)一步研究表明, 通過(guò)

6、控制納米相的尺寸和分布, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)電子和聲子的選擇性散射, 并且結(jié)合界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 利用界面能量勢(shì)壘過(guò)濾低能量電子(界面能量過(guò)濾效應(yīng)), 從而實(shí)現(xiàn) Seebeck 系數(shù)和功率因子(PF=S2σ)【4】的進(jìn)一步提升.對(duì)于納米線熱電材料, 理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)都證明了其熱導(dǎo)率隨著線直徑的減小而快速降低, 同時(shí),粗糙線表面結(jié)構(gòu)及界面的存在會(huì)產(chǎn)生明顯的聲子散射作用降低晶格熱導(dǎo)率, 例如在 Si 核 Ge 殼的納米線中, Si-Ge 界面對(duì)聲子的散射也