优秀研究生学位论文题录展示

硅锗合金高温热电转换性能的研究

专 业: 材料物理与化学
关键词: 硅锗合金 高温 热电转换
分类号: TN3  TN2
形 态: 共 64 页 约 41,920 个字 约 2.005 M内容
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内容摘要


目前人们普遍认为,这个世纪是各国太空探索最为激烈的一个世纪,为争夺空间优势,夺取战略制高点,各国都在努力开展自己的深空探测计划。

空间探测领域的实践经验证明,放射性同位素温差发电器RTG是一种最安全、可靠的电源,能够胜任一些普通电源无法胜任的工作,先进的温差电源是争夺空间优势中不可忽视的一项技术。

我国虽然对半导体致冷机理和应用研究已经具有了一定水平,已有商品器件出售,但对于温差发电的研究,则很少涉猎。

目前国际上有一些成熟的中低温区(<400K)的温差发电器产品。

这类温差发电器的基本上都采用了低温区Bi2Te3 基材料,而高温区还没有比较成熟的产品,理论证明高温区的主要热电材料就是SiGe 合金。

本文重点通过在300-1100 K 的温度范围内研究不同Ge 浓度、不同晶向、不同载流子浓度和不同导电类型的SiGe 合金材料的热电参数,寻找到在该温区热电性能最好的SiGe合金参数,为将来制作以SiGe 合金材料为热电转换器件、以同位素衰变为热源的温差发电器提供理论和实验基础。

实验表明,材料的热电转换效率主要由载流子迁移率和声子散射程度决定。

为了提高Seebeck 电动势就要求载流子迁移率越高越好。

载流子浓度的高低和晶格的有序排列程度是决定Seebeck 系数绝对值大小的主要因素。

实验中发现Ge 含量高的单晶Seebeck 系数绝对值大。

而为了降低材料的热导率则要求声子散射程度越小越好。

实验中发现Ge 含量越高,热导率越低,而且对温度的敏感程度越明显。

实验结果表明随温度的升高,Ge 含量20%的样品的热导率急剧下降,而其它样品的热导率下降程度则不太明显。

实验中还发现,材料的热电性能具有明显的各向异性,在其它参数相同的情况下,<100>方向的高温转换效率明显优于<111>方向;从导电类型来看,P 型材料的温差电性能整体高于N 型材料,但从ZT 值随温度的变化情况来看,N 型更适合于高温阶段,随温度的升高ZT 值也单调上升。

通过实验研究也发现,转换效率高的SiGe 合金材料其载流子浓度数量级应大于1020/cm3,且Ge 含量高的<100>单晶热电转换性能最佳。

近年来,随着公众环保意识的增强,特别是温室效应问题,温差电技术作为“绿色”发电技术和灵活的电源而日益受到关注1,2.与此同时,半导体材料的发展与应用极大地推动了温差电技术的发展,新产品不断出现,温差发电技术也从军用不断向民用方面发展,整个行业处在上升阶段。

国际上每年举行一次国际温差电会议也表明了科学工作者对该领域的关注,其中第二十届国际温差电会议(ICT2001)于2001 年6 月在中国北京成功举行3.2006 年6 月维也纳成功举办了第25 届国际热电会议(ICT2006),会议对温差电材料的探讨范围更加宽广,说明温差发电领域越来越引起人们的重视4。

在美国的研究主要侧重于军事、航天、理论和高科技方面,例如,美国陆军研制了500W 燃油温差发电器,主要用于装备前沿部队;美国海军把放射性同位素温差发电器放在深海中,给无线电信号转发机供电。

而日本的研究侧重于废热利用,例如,日本公司开发了利用汽车尾气废气发电的100W 小型温差发电机,可节省燃油5%。

我国四川、陕西、新疆等地的石油天然气企业引进了燃气温差发电机,成功地用于数据采集、监控系统和输气管道阴极保护等。

我国对半导体致冷机理和应用研究具有一定水平,已有商品器件出售,但对于温差发电研究,则几乎是一片空白,这主要是因为我国在军事、高技术研究方面相对落后,未能刺激起足够的需求。

另外从材料方面说,使用碲化铋等低温热电材料制作的热电转换器件已经成功应用于微型温差发电装置,而在高温(T>600K)环境下理论上最佳侯选材料SiGe 合金的系统研究和开发还没有进行,实现温差发电装置的微型化的道路还很漫长。

因此本课题的选题具有一定的先进性和重要意义。

本课题曾得到河北省自然科学基金的资助..……

全文目录


文摘
英文文摘
第一章 绪论
第二章 温差电现象的基本原理
第三章 实验样品与装置
第四章 SiGe 合金的热电参数测试实验
第五章 SiGe 合金的热电转换性能
第六章 结论
参考文献

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中图分类: > TN3 > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术
其他分类: > TN2 > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术

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