納米技術(shù)在能源方面的應用

1、納米材料在能源方面的應用現(xiàn)今的能源問題已經(jīng)迫在眉睫，各國也在開發(fā)新能源，力求解決能源危機。為此，納米技術(shù)也被眾多學者研究作為解決能源危機的途徑，如利用納米材料可使在太陽能方面的利用率可以達到 40%，然而普通材料只有 20%；納米材料在內(nèi)燃機中的應用 ，納米材料能提高內(nèi)燃機中的燃油利用率，等等很多方面都有應用，本文著重介紹納米技術(shù)在熱電材料方面的應用。熱電材料 熱電材料進入 21 世紀以來，隨著全球工業(yè)化的發(fā)展，人類對能源的需求不斷增長

2、，在近百年中，工業(yè)的消耗主要以化石類能源為主。人類正在消耗地球 50 萬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，在使用時排放大量的 CO2、SO2 等有害物質(zhì)，嚴重污染了大氣環(huán)境、導致溫室效應和酸雨。引起全球氣候變化，直接影響人類的身體健康和生活質(zhì)量，嚴重污染水土資源。因此，開發(fā)新型環(huán)保

3、能源替代材料已越來越受到世界各國的重視【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)的塞貝克效應和 1834 年發(fā)現(xiàn)的帕爾帖效應為熱電能量轉(zhuǎn)換器和熱電制冷的應用提供了理論依據(jù)。如隨著空間探索興趣的增加、醫(yī)用物理學的進展以及在地球難于日益增加的資源考察與探索活動，需要開發(fā)一類能夠自身供能且無需照看的電源系統(tǒng)，熱電發(fā)電對這些應用尤其合適。熱電材料是一種有著廣泛應用前景的材料，在環(huán)境污染和能源危機日益嚴重的今天，進行

4、新型熱電材料的研究具有很強的現(xiàn)實意義。雖然其優(yōu)點眾多，但利用熱電材料制成的裝置其效率(<5%)仍遠比傳統(tǒng)冰箱或發(fā)電機小。電熱材料需要有高導電性以避免電阻所引起電功率之損失，同時亦需具有低熱傳導系數(shù)以使冷熱兩端的溫差不會因熱傳導而改變。材料的熱電效率可定義熱電優(yōu)值(Thermoelectric figure of merit)ZT 來評估: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, 其目標是通過材料尺寸優(yōu)化實現(xiàn)費米能級附近電子態(tài)密度的提高與調(diào)控, 從而實現(xiàn) Seebeck 系數(shù)的提升；同時, 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, 有利于降低晶格熱導率. 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現(xiàn)了 Seebeck 系數(shù)和電導率的獨立調(diào)控. 進一步研究表明, 通過

6、控制納米相的尺寸和分布, 可實現(xiàn)對電子和聲子的選擇性散射, 并且結(jié)合界面結(jié)構(gòu)設計, 利用界面能量勢壘過濾低能量電子(界面能量過濾效應), 從而實現(xiàn) Seebeck 系數(shù)和功率因子(PF=S2σ)【4】的進一步提升.對于納米線熱電材料, 理論預測和實驗都證明了其熱導率隨著線直徑的減小而快速降低, 同時,粗糙線表面結(jié)構(gòu)及界面的存在會產(chǎn)生明顯的聲子散射作用降低晶格熱導率, 例如在 Si 核 Ge 殼的納米線中, Si-Ge 界面對聲子的散射也