低維熱電材料的新方向

1、最近很多熱電材料熱電系數(shù)的提高都與納米尺寸效應有關，在包含納米尺寸成分的塊材和納米尺寸樣品本身中均有這種效應。先前關于量子阱超晶格和量子線理論上和試驗上的原理驗證研究方法，現(xiàn)在已經被引入到包含納米結構成分的塊材的研究中，這些塊材是用化學方法或物理方法制備的。本文將會介紹一些納米結構復合材料的納米結構和性質，這些結構和性質展示了熱電材料的廣泛應用的希望，以及把低維材料和塊材集合在一起的應用的希望。本文所強調的重點是達到1）在同一納米復合材料樣品和相同輸運方向，同時的功率因子的增加和熱導率的下降；2）與相同化學成分的合金相比，在納米復合材料中有更低的熱導率值。本文對未來的納米復合熱電材料的研究前景

2、也做了探討。  1.引言  人類生存的21世紀，世界范圍內的能源需求增長以及化石燃料供給急劇減少，因此提供可持續(xù)的能源供給對人類社會而言將會是一個重大的社會問題。熱電現(xiàn)象即熱量和電能之間轉換并提供了一種制冷或發(fā)電的方法在解決未來能源危機問題上將有希望扮演越來越重要的角色。因為我們有理由期望依靠高性能熱電材料的發(fā)展，即在原理驗證水平也在實用化水平，來提供解決問題的方法。本文將會綜述一下新浮現(xiàn)的低維熱電材料領域的當前研究狀態(tài)，這一領域是由材料的納米科技所促進而生的。  上個世紀50年代，熱電領域發(fā)展迅速，此時熱電材料的基礎科學問題已經很好

3、的建立，重摻雜的半導體作為優(yōu)良的熱電材料得到廣泛的接收，并且熱電材料Bi2Te3已經發(fā)展到商業(yè)化程度，進而加速了熱電產業(yè)的發(fā)展。那時，理論上已經建立起的觀點是，熱電材料的效率可以用一種近似的方法與一個無量綱的熱電優(yōu)值系數(shù)聯(lián)系在一起，即：ZT=S2T/，其中S、T、分別代表塞貝克系數(shù)（Seebeck coefficient）、電導、絕對溫度、熱導率。在接下來的三十年，1960-1990，ZT系數(shù)僅有很少的增加，主要是在(Bi1-xSbx)2(Se1-yTey)3合金族上，并且這一合金族仍然是最好的熱電材料，其ZT系數(shù)在1左右。在1960-1990年代，全世界的研究組織只有很少人關注熱電領域。然而

4、，通過尋找小環(huán)境下的應用，如太空任務，試驗設備，醫(yī)學應用，這些情況下，與能量的可靠性，可用性相比，能量的成本及效率顯得不重要，因此熱電工業(yè)緩慢而穩(wěn)定的發(fā)展著。  在上世紀90年代早期，美國國防部對熱電材料的應用潛力變的非常有興趣，在美國國防部的刺激下，很多研究小組重新審視了對熱電材料的研究，科學家都渴望得到在制冷、發(fā)電領域有競爭性的高性能熱電材料?？茖W界在這個領域又活躍起來，并且致力于發(fā)現(xiàn)可能有高的熱電性能的新方向、新方法，這些都是與美國國防部的激勵機制分不開的。在這種政府的激勵行為之下，科學界采用了兩種不同的方法去尋找下一代新熱電材料：一種是利用新的具有高性能的熱電特性的

5、塊材；另一種是采用低維材料系統(tǒng)。  高性能塊材研究方法主要集中在一些新材料，這些新材料在部分點上摻雜有振幅很大的重離子，因此可以提供有效的聲子散射中心。那些性能最好的塊材就是所謂的“聲子玻璃電子晶體”結構（例如以為CoSb3基礎的部分填充的方鈷礦材料）。對于低維材料方法，有兩個主要的思想。第一，低維材料中納米刻度成分的引入，將會帶來量子限制效應，進而提高功率因數(shù)S2。第二，在低維材料中可以設計一些內部的界面，由此可以使得熱導率的降低比電導率的降低更為明顯（這是由于他們各自的散射長度不同造成的）。  上個世紀90年代，這兩種方法各自發(fā)展著，且大都在不同的方

6、向。最近的研究看來，這兩種方法有結合在一起的趨勢。第一，現(xiàn)在最成功的熱電塊材，都是在一主材料中包含有納米尺度的成分，這一般是由化學方法制備的。第二，當前低維材料系統(tǒng)正在被組裝成納米復合材料，這些納米復合材料包含著相互耦合的納米團簇的集合，這些納米團簇表現(xiàn)出短距離，低維度，并被植入某一主材料中，因此，產生了一含有多界面和擁有納米結構的塊材，與對電子的散射相比，這些界面和納米結構更容易散射聲子。本文中，將會重點概括低維熱電材料的最新進展，并會介紹一些塊材熱電材料的新的系列，即用納米“積木”合成且有熱電應用的潛力。 2.原理驗證研究  利用低維材料提高熱電性能有幾個概念

7、需要清楚。研究低維熱電材料的第一階段主要集中于對這幾個概念的發(fā)展和試驗上的原理驗證。在確定精心設計和合成的復合材料是否具有較高的熱電性能方面，這個方法是很有價值的。在傳統(tǒng)的三維材料里面，熱導率，塞貝克系數(shù)S，電導，是相互關聯(lián)在一起的，因此很難分別控制這幾個參量以實現(xiàn)ZT系數(shù)的提高。這是由于S的增加通常會導致降低，的降低將會降低電子對的貢獻，這是由WiedemannFranz定律給出的。但是，如果材料的維度降低了，長度尺度就會成為一個新的變量，并且可以用來控制材料的性質。因而，當系統(tǒng)的尺寸減小，并達到納米尺度，就有可能引起電子態(tài)密度的變化，因此當尺寸足夠小，且各個方向（x、y、z方向）的原子數(shù)變

8、的很少（例如，少于100），就會產生量子限制效應，就可能會提供差不多獨立的控制S、的方法。此外，因為維度由三維結晶固體降低到二維（量子阱）或一維（量子線）甚至于0維（量子點），也會產生新的物理現(xiàn)象，這些新的現(xiàn)象也許可能提供獨立控制S、的方法。下面將會討論那些新現(xiàn)象。此外，多界面的引入（這些界面散射聲子比散射電子更容易并且會在界面勢壘上起到低能量過濾的作用）會使得發(fā)展適合熱電應用的擁有高的ZT系數(shù)的納米結構材料成為可能。  低維熱電領域的研究從兩種策略的引入而開始：利用量子限制現(xiàn)象來提高S，且在某種程度上獨立的控制S和；與界面對電子的散射比起來利用多界面能更有效的散射聲子，并

9、且優(yōu)先散射那些對熱導率貢獻大的聲子。早期的主要工作放在對那些概念或策略的合理性的建立上，這些概念或策略首先在二維周期量子阱系統(tǒng)上檢驗，然后在一維量子線系統(tǒng)上，都是通過理論的觀點以及試驗來說明那些概念的。還有其他的三個概念，包括：載流子袋裝工程（carrier-pocket engineering，不知道怎么翻譯）、能量過濾、半金屬半導體轉變，這些概念為利用低維材料提高熱電性能起到了推動作用。低維系統(tǒng)可以提高熱電性能的第一次原理性的說明是在二維超晶格上，這個這個二維超晶格是由PbTe量子阱和Pb1-xEuxTe勢壘構成的。第一次是用p型PbTe說明的，隨后用n型PbTe，在一個寬度低于4nm量子

10、阱中S2n（n為電子密度）的值，與塊材PbTe比起來減小了。理論上預言的S2n的值對量子阱厚度的依賴關系與試驗符合的很好。在這里強調S2n而非S2的原因在于，n和通過關系式：=ne聯(lián)系在一起，該式中e是電子電荷量，是載流子遷移率，且強烈依賴于外部因素，例如缺陷等，而S2n與材料的內部參數(shù)相關性更大。不僅PbTe超晶格可以有效的提高S2n，Si/SiGe系統(tǒng)中Si超晶格的S2n也有增加，在此系統(tǒng)上面理論和試驗也獲得了很好的符合。Bi2Te3/Sb2Te3超晶格的橫向輸運的試驗說明，界面對聲子的散射造成的熱導率的降低比界面散射造成的電導率的降低要大的多，因此這就建立起了第二個概念，這已在試驗中證明

11、，由此產生的ZT的增加比由S2n的增加而產生的ZT增加要大。隨著試驗上說明的二維超晶格的熱電性能有提高，研究就朝著兩個不同的方向發(fā)展。一個方向主要是追求超晶格的設計和生長，接下來會介紹；另一個方向是追求更低的有序的維度，如一維量子線、0維量子點，隨后會介紹。  由于PbTe和PbSe之間的晶格失配，試圖在兩層PbTe之間生長一層PbSe的異質結的研究，導致了在兩層PbTe之間PbSe的量子點的有序的分布，這一結構類似于三明治且遵循著VolmerWeber島生長過程。這里的量子點是規(guī)則排列的多邊形結構，有固定的尺寸、方向、空間間隔。Harman的研究小組在數(shù)千個周期上生長出了

12、這種類型的夾層結構的量子點超晶格（QDSL），其成分是生長在BaF2襯底上的bTe/PbSe0.98Te0.02，在襯底上有一薄的PbTe緩沖層。利用Bi作為這種QDSL結構的n型摻雜物，在300k和570k獲得的ZT系數(shù)的值為分別為1.6和3.5。也有其他人報道了以Na作為摻雜物的p型QDSL結構的結果，該結果也有較高的ZT系數(shù)。用這種方法獲得的大的ZT系數(shù)說明，利用QDSL結構可以同時增加功率因數(shù)S2和減小熱導率，但熱導率的減小是獲得大的ZT系數(shù)的關鍵。在高性能熱電技術的商業(yè)應用上，要求規(guī)模擴大和發(fā)展低成本工藝，從性能觀點看，這個模型系統(tǒng)為以后的研究工作提供了一個基準。以這個模型系統(tǒng)為基礎

13、的薄膜制冷器件，由于他的高性能特征，也許有一天可以被實際利用。 在第二個研究方向中，也就是尋求更低維度的材料，有很多人正在致力于量子線熱電應用的研究。由于Bi的L點的電子有較高的S值，多年來Bi及與Bi相關的材料一直被作為具有較大應用前景的熱電材料。但是不幸的是Bi是一種半金屬材料，即擁有電子也擁有空穴，且電子和空穴對總的S值的貢獻的符號是相反的。為了運用Bi材料中電子的優(yōu)良的性質，Bi材料必須被制成n型半導體。利用Bi的低維結構或與Sb的合金，是可以制成n型半導體的，下面會討論。但是，以Bi為基礎的量子阱超晶格，卻由于在制備二維量子阱超晶格中尋找適合Bi量子阱勢壘的材料存在很大的困

14、難而發(fā)展收到阻礙。因此，Bi以及Bi1-xSbx合金作為低維熱電材料是采取了制備有序排列的一維量子線的形式，量子線是在陽性氧化的AL的空中填充而成的，AL是一個性能較好的勢壘材料。       Bi可以轉變成半導體的機制是依賴尺寸的半金屬金屬轉變。當半金屬納米線的尺寸減小以至于在垂直于納米線軸向的方向有相對較少的量子態(tài)，則能帶劈裂成為離散的子帶。在這種量子機制下，隨之量子線半徑的減小，在能級在材料中相交的時候，最低的導帶子帶邊緣能量升高而最高的價帶子帶邊緣能量降低，這使得材料由半金屬（材料中最低導帶和最高價帶存在相交）轉變?yōu)?/p>

15、半導體，即在導帶和價帶間存在一個帶隙。在半導體相下，可以通過摻雜使材料成為只有一種主要載流子類型的材料。這樣一個半金屬半導體轉變首先在理論上得到預言，隨后在試驗中得到證實。因為Bi與Sb的合金改變了塊材合金的電子結構，因此可以用計算來說明Bi-Sb量子線的半金屬半導體轉變對量子線直徑和Sb濃度的依賴關系。這些現(xiàn)象已經通過改變量子線直徑和Sb濃度從實驗上得到證實，從而為提高納米材料的熱電性能提供了兩個可以控制和優(yōu)化的變量。       在試驗上已經合成出沿著納米線有量子點組成的超晶格，并且通過計算已經指出了為熱電應用和提高熱電

16、性能，而需控制的這種沿著納米線量子點超晶格的參數(shù)。但是，至今這種方法仍沒有試驗上的原理證據(jù)。       另一個已經知道的與材料有關的概念是載流子的能量過濾的概念，這個概念已經被引入到提高熱電功率因數(shù)S2中去，載流子能量過濾概念是指在形成界面時，選擇合適的勢壘材料從而阻止載流子的能量流入另一材料中。在界面上，載流子平均能量高于費米能級EF的載流子將會優(yōu)先穿越界面，從而提高了熱電勢，熱電勢是依賴于樣品中載流子的多余能量E-EF。利用能量過濾方法，勢壘的引入方式是：電導率的減低要比通過能量過濾過程所增加的S的補償要大，因此導致了

17、功率因數(shù)S2的增加。為熱電的實際利用，所有的這些概念和策略，在當前提高納米結構性能中正得到運用。當前，所有的基礎研究和應用研究都在致力于這一領域的提高。    引入載流子袋裝工程的概念來設計超晶格，使得一種類型的載流子在量子阱區(qū)域是量子限制的，另一種同樣符號的載流子在勢壘區(qū)域是量子限制的。載流子袋裝工程概念的引入是由于GaAs量子阱的點電子和以AlAs為勢壘的GaAs/AlAs超晶格的X點電子。這個概念后來又被運用到Si/SiGe二維超晶格中，在某種意義上，這個概念被廣泛的應用在自組裝的納米結構復合材料中，在自組裝的納米結構復合材料中所有的成分都對提高Z

18、T系數(shù)有貢獻。    到目前為止，在提高低維材料ZT系數(shù)的研究中，最關鍵的地方是熱導率的減小，是通過增加方鈷礦類材料的籠狀結構的嘎聲效應（effect of rattlers）或者通過增加界面（與對電子的散射比起來，界面對聲子的散射更有效）來實現(xiàn)熱導率的減小。但是在商業(yè)應用上要充分的提高低維熱電材料的ZT系數(shù)，僅僅靠減小熱導率是不夠的，也需要同時增加功率因數(shù)S2。早已論證，在QDSL系統(tǒng)和納米復合熱電材料中可以實現(xiàn)這種方法，接下來會介紹。3.納米復合熱電材料    在超晶格中熱導率的減小是提高熱電系數(shù)的主要機制，過

19、去的在超晶格中關于熱傳導機制的研究表明周期性結構對于熱導率的減小不是必須的，那么不把超晶格中成就擴張到的更大范圍的材料，納米復合結構材料就成為了自然的一步。    目前，很多研究小組正在發(fā)展有規(guī)模擴大和實際應用前景的納米復合結構熱電材料。為這樣的應用設計材料的目的是引入界面，為了1）利用界面散射減小熱導率（要比電導的減小還要多）；2）S的（例如通過載流子能量過濾或量子限制）要比電導的減小量更大，因而導致的功率因數(shù)的增加，所有的目的都是為了增加ZT系數(shù)。納米復合熱電材料提供了一種制備含有納米結構成分的塊材的可能的辦法。這樣的納米復合材料從性能測試或材料表征

20、的觀點很容易處理；這樣的材料可以被組裝到多種期望的器件應用的模型里面，他們也可以擴大商業(yè)應用的規(guī)模。本文用初步的結果來證實：1）在異質復合材料中的兩種納米顆粒或在主材料為塊材刻度（尺寸上有幾個毫米）中的納米顆粒的隨機組裝，相對于他們相同成分的合金，可以提高熱電性能，2）在一個寬的溫度范圍內熱導率的減小是可以實現(xiàn)的，3）同時，通過增加的S量大于減小的，實現(xiàn)功率因數(shù)的增加，4）在制備納米復合材料的處理環(huán)節(jié)中材料中納米結構成分可以得到保持。為設計有效的有熱電性能提高的納米復合熱電材料而提出的概念上的進展，與Si-Ge納米復合材料所展示的明確的試驗結果一致。大量的研究小組提出了各種各樣的材料合成的工藝

21、和方法，包括不同的材料系統(tǒng)以及加工方法，利用了大量的基本概念，但是在使用細節(jié)上這些概念有所不同。本文也簡短的介紹了概念上的進展。    模型計算為納米復合材料結構的設計和處理過程的參數(shù)選擇提供了一個重要的指南。由于在納米復合材料中熱導率的減小是提高熱電系數(shù)最主要的機制，因此用計算來論證如何設計納米復合材料使其擁有比同成分的合金更低的熱導率意義是非常大的。這些計算提供了處理過程參數(shù)的選擇和摻雜方法以及其他實際制備納米復合結構材料過程敏感性的考慮方法。模型計算有兩種方法：1）利用對熱流方向有影響的周期性邊界條件，在模型復合材料中每個晶胞中的固定溫差，并以界面

22、反射系數(shù)和馳豫時間為輸人參數(shù)，解包含定向納米顆粒的晶胞的玻爾茲曼輸運方程。2）蒙特卡羅方法也被用來做模型計算，特別是在顆粒的隨機大小、分布、和取向情況下。兩種方法都有一定程度的成功，已經考慮的粒子的分布情況主要有：固定取向、交錯、隨機分布等幾種情況。    模型計算表明，在復合材料含有的顆粒尺寸在10nm范圍內，對SixGe1-x合金組分x在0.2<x<0.8范圍內，納米復合材料的熱導率可以降到塊材母體的水平之下。下圖是塊材合金樣品和同組分的納米復合結構樣品基本不同。從下圖中可以看出塊材合金和相同成分的納米復合材料的不同。該圖給出的是，沿著縱

23、向的熱導率隨著納米復合材料中不同橫向截面寬度dw的Si占有的體積分數(shù)的變化，并給出了與相同材料組成的塊材合金的比較。對塊材合金或者是以較大的dw尺寸為基礎納米復合材料（500nm），上圖說明晶格熱導率隨著Si濃度的增加而增加，反應了較高的塊材熱導率和相對于Ge，Si的較高的聲速。但是，對納米結構寬度為50nm或者更少，平均自由程收到納米結構寬度dw的限制，因此熱導率變的對聲速和比熱更敏感，而非塊材的平均自由程。在這種機制下，與具有類似的化學成分的三維合金材料的行為相比，隨著Si體積比的增加而減小，這是因為Si的有效熱導與其他機制造成的熱導降低相比界面散射造成的熱導降低更多。下圖給出的計算結果進

24、一步說明了，擁有10nm或50nmSi線的Si-Ge納米復合結構材料，與在相同化學計量比SixGe1-x（x>0.6）下且擁有相同Si膜厚度的Si-Ge超晶格（多層）相比，擁有更低的熱導率。 這個結果說明制造熱導率比昂貴的超晶格要低，且成本低廉的納米復合材料的可能性。蒙特卡羅模擬也在很多不同的平均粒子尺寸、尺寸分布以及隨機程度問題上計算過，并且結構說明熱導率很敏感的依賴于界面密度（單位體積內的界面面積），且遵循著如圖8所示的普遍曲線。假設每單位體積內的界面面積大于0.08nm-1，則納米復合材料的熱導率比塊材合金的要小。這些結果有力的說明了有序結果不是獲得低的熱導率所必須的，而

25、自組裝的納米復合結構材料也可以用來提供熱電性能。實際上，早期的模擬和測量研究就說明利用相干界面（coherent interface）來降低熱導率不上必須的，由此把自組裝納米復合材料推到了熱電應用的首要地位。    通常用濕化學法、球磨法或惰性氣體冷凝法來合成組分材料為Si、Ge、SixGe1-x的納米結構復合材料或納米顆粒。Si和Ge的納米顆粒通常用納米或微米尺寸的顆粒制備。然后，那些顆?；蛘咄ㄟ^等離子體壓力（P2C）的熱壓（HP），或者通過在1333K氬氣中熱壓，產生致密、機械強度高且接近理論密度的塊材納米復合材料。由上產生直徑為半英尺的圓盤形狀樣品

26、，像這樣其他形狀的樣品也可以制備出來。很多不同的壓縮條件和n型、p型的摻雜標準都被用來研究納米復合材料對于工藝條件和材料參數(shù)的依賴。不同樣品形狀用來做不同的材料性能的測量，一些處理過程的優(yōu)化用來最大化熱電系數(shù)和提供改良的使用性能。每一系列的樣品（生長在刻意選擇的工藝參數(shù)下）用射線、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）技術來檢驗和表征納米顆粒的完整性，說明在所有的處理過程完成后納米顆粒仍然包含在納米復合材料里面。射線和透射電子顯微鏡（TEM）表征結構說明在納米顆粒的P2C程序在1050-1100OC范圍內完成后，5-10nm尺寸范圍內的小的納米顆粒仍然得到保留。材料科學對于輸運性質

27、的多孔性研究表明，當樣品密度改變了很小一部分的時候，納米復合材料的電導率改變了數(shù)個數(shù)量級。我們的測量證實了我們的想法是一個普遍的結果，也就是對納米復合結構熱電材料達到理論上的密度非常重要，特別是納米尺寸顆粒的壓縮相對于微米尺寸顆粒的壓縮。 下圖展示了基于SixGe1-x的納米復合結構材料的兩個樣品的初步的試驗結果和模型計算之間的比較。結果說明，p型Si0.80Ge0.20B0.016樣品在一個很廣的溫度范圍內試驗上的熱導率值比較低，其中樣品包含的納米顆粒球磨了96小時。作為對比的以模擬為基礎的計算曲線是包含在主材料是Ge的10nm的Si納米顆粒。利用P2C方法制備的樣品，測量達到50

28、0k的初步試驗結果比用球磨法制備的樣品有更高的熱導率，然而通過樣品處理和制備步驟可以得到熱導率的減小。    試驗上的輸運結果說明由于強烈的界面散射，納米復合材料與塊材相比擁有更高的S值和更高的電阻。Jet Propulsion 實驗室(JPL)利用球磨法制備的納米結構材料的S值的增加顯著的大于電導的減小，因此實際的試驗上的納米復合材料樣品的功率因數(shù)在大多數(shù)溫度范圍內都是增加的，與模擬計算的預言結構一致。一些試驗說明，同時增加功率因數(shù)和減小熱導率是可能的，但是這些現(xiàn)象只發(fā)生在納米結構系統(tǒng)中。    一些試

29、驗展示的數(shù)個SiGe樣品的ZT系數(shù)對溫度的依賴關系說明，在硼摻雜為1.6球磨96小時的Si0.80Ge0.20B0.016樣品中獲得最優(yōu)的熱電性能，硼摻雜為2其他條件類似的樣品可以得到次優(yōu)的熱電性能。盡管利用P2C方法制備的納米復合材料僅僅被測量到500k左右，但這仍然是一種有希望的方法。因為納米復合熱電材料仍然處于發(fā)展的初期，特別是與工藝過程的優(yōu)化、摻雜的水平和種類有關的方面，因此進一步的ZT系數(shù)的提高最有希望的是自組裝結構的納米復合材料，這有可能同時增加功率因數(shù)S2和減小熱導。    對兩種模型系統(tǒng)（PbTe中包含金屬納米顆粒系統(tǒng)和In0.53Ga0

30、.47As包含ErAs納米顆粒系統(tǒng)）的試驗上的測量和細節(jié)的理論分析將會使得把納米顆粒摻入主材料而提高熱電性能的機制更清楚一些。對PbTe系統(tǒng)，金屬納米顆粒被摻入PbTe主材料中，并且S的提高的機制在細節(jié)上也已經有了一些研究。對In0.53Ga0.47As系統(tǒng)，納米尺度的半金屬ErAs顆粒被摻入到主材料中，并且測量到的熱導率減小的機制也已經被研究。在兩種情況下，與納米系統(tǒng)有關的散射機制的觀點，都被證實有利于熱電性能的提高，接下來會詳細的介紹。與把金屬納米顆粒（Pb或Ag）植入PbTe主材料有關的新奇散射機制觀點，是從四種物理量輸運性質的詳細的溫度依賴關系測量中得到的，這四種物理量是：電導、塞貝克

31、系數(shù)S、霍爾系數(shù)RH和橫向等溫能斯特厄廷格好森系數(shù)N。這需要測定與四種對熱電性能有重要作用的材料參數(shù)組成的作為溫度，也就是載流子濃度（p或n）、載流子遷移率、有效質量m*d和散射參數(shù)的函數(shù)關系，其中是由是有載流子散射弛豫參數(shù)的能量依賴決定的，即：0E-1/2其中0為能量獨立尺度系數(shù)。在所有的那些測量中橫向等溫能斯特厄廷格好森系數(shù)N對最敏感，且散射參數(shù)最容易受到摻入到主材料PbTe中的金屬金屬納米刻度粒子的影響。在塊材PbTe中，的在0.20.7范圍之內，而對金屬納米顆粒的大于是3的。已知的散射機制沒有這么大的值。的值越大，能量過濾效應就越大，塞貝克系數(shù)的提高就越大。已發(fā)表的PbTe中摻入PbS

32、e納米顆粒的量子點超晶格的S值的載流子濃度依賴的試驗結果分析表明，這種情況下與Pb或Ag金屬摻入物有一致的行為。由燒結粉末的納米尺寸晶粒組成納米復合材料也報道了類似的現(xiàn)象。綜合在一起，我們可以得出納米顆?？梢杂心芰窟^濾效應的結論，與相對應的塊材比起來，這一效應強烈的延長了高能電子的弛豫時間。這些研究說明說明納米顆粒包含物可以通過尺寸依賴的能量過濾效應可以明顯的提高S值。對SixGe1-x的研究結果與前面的發(fā)現(xiàn)一致，更進一步說明了S的增加量要比電導的減小量要大，因此功率因數(shù)的增加的。    包含ErAs半導體納米顆粒的In0.53Ga0.47As樣品，有著

33、大的熱導率減小。對此種情況下熱導率減小機制的研究，提供了一系列對包含納米顆粒的熱電材料性能大的提高的重要的觀點。利用尺寸范圍是1-4nm的ErAs納米顆粒，用分子束外延方法制備出了兩種類型的樣品，樣品中ErAs納米顆粒的分布形式有：1）超晶格結構2）在塊材中隨機分布。對熱導測量結構的分析是基于Matthiessen 規(guī)則（金屬的總電阻率可以表示為熱振動、雜質以及塑性形變所導致的電阻率的總和，這一規(guī)則被稱為Matthiessen 規(guī)則。），也就是有效散射速率是各種聲子散射過程所引起的速率之和，其中包括界面散射、Umklapp散射、缺陷或合金散射、電子-聲子散射和ErAs納米顆粒散射。對試驗上溫度（從50K-800K）依賴的熱導結果的分析說明，由ErAs納米顆粒引起的聲子散射是引起兩種類型樣品的聲子散射的最主要的附加因素。分析進一步說明，與由Slack提出的塊材最小熱導率比起來兩種類型樣品獲得了更低的熱導率，這與SixGe1-x納米符合熱電材料所