当前位置:首页行业资讯 > 行业动态

行业动态

材料导热性和导电性是否有必然联系?

发布时间:2017-11-15 17:30:16来源:知乎 面壁者逻辑浏览次数: 577

材料的导热性和导电性分别用热导 和电导 来衡量,而热导一般包括两个部分:

\kappa=\kappa_{e}+\kappa_{P}


其中 \kappa_{e}表示电子热导,顾名思义就是由自由电子的扩散产生的热导,在温度梯度下电子会从高温区向低温区扩散完成传热过程。电子热导和材料的电导联系紧密,其关系满足Wiedemann-Franz定律:

\kappa_{e}=L\sigma T


L是Loranz常数:L=2.45×10^-8W\Omega K^{-2}

即电子热导部分和电导成正比关系。

第二部分 \kappa_{P}称为声子热导,与电导无关。所谓声子,并不是真实的微观粒子,而是固体材料中的晶格点阵的集体运动模式,这种运动模式和粒子很像,称为准粒子。而由晶格振动产生的热传导就是声子热导。

声子热导满足\kappa_{P}=C_{v}lv/3,Cv是比热,l 是声子平均自由程,v是声子传播速度。直观上也容易理解,同样的温度梯度下,比热大的材料导热多;而声子平均自由程越大,表示声子在运动中受到的散射越少,热传导越顺利;声子传播速度v越大,显然传热也会越快。

如果是绝缘体,不导电没有电导,也就没有电子热导,主要靠声子热导导热。


这个问题还涉及到热电材料研究的一个基本问题:在材料热导和电导紧密关联的前提下,如何提高热电优值ZT?

所谓热电材料是指能将热能和电能相互转换的功能材料,这种转换能力的高低由热电品质因子ZT来衡量:ZT=S^{2}\sigma T/\kappa

这个S是赛贝克系数,用来衡量赛贝克效应大小。赛贝克效应是热电效应的一种,是指将两种不同金属各自的两端分别连接,并放在不同的温度下,就会在这样的线路内发生电流。塞贝克系数有一个更好理解的名字叫热电势,也就是由于温度梯度产生的电势差。热电势的物理机制有两种:一是载流子扩散,即由于温度梯度载流子会从高温端向低温端扩散,从而产生电势差;二是声子曳引,由于电声子耦合,温度梯度下声子扩散会拽着电子一起扩散,从而产生电势差。

我们可以看到,决定材料热电品质因子的三个物理量S、\kappa\sigma之间彼此存在着相互制约的关系,要想得到高的ZT值必须提高S和\sigma 同时降低 \kappa

S和电导\sigma 都与载流子浓度有关,载流子浓度越大电导越大,但S一般而言会越小,材料热电性能随载流子浓度的依赖关系如下图,图中的\alpha 即是塞贝克系数S。同时电导\kappa\sigma又紧密相关,正是由于电子热导和电导之间的正比关系使得很难在提高电导的同时又降低热导。



所以这三个物理量之间的相互制约关系使得优化热电材料的性能变得相对复杂。这三个物理量不能同步调控,所以热电材料的ZT值很难大幅提高,因而也限制了热电材料的应用。从下图可以看出在上世纪的30年中热电材料的性能几乎没有提升,直到新世纪才有所突破。



目前热电材料性能提升主要基于两种思路:一个是增强声子散射,降低声子热导率,而不会引起电导和赛贝克系数的变化,大多通过纳米结构的大量界面予以实现;另一个则是通过能带结构调控,优化电导率和Seebeck系数予以实现。

最近武汉理工大学张清杰教授团队在热电材料这个领域取得了突破性进展,文章发表在Nature上:

张清杰&杨继辉Nature:超顺磁增强材料热电性能! - 材料牛