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出版者:CRC Press

作者:Rowe, D.M. 编

出品人:

页数:1014

译者:

出版时间:2005-12-09

价格:USD 175.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780849322648

丛书系列:

图书标签:

• 物理
• Thermoelectrics
• Materials Science
• Energy Conversion
• Heat Transfer
• Solid State Physics
• Renewable Energy
• Semiconductors
• Nanomaterials
• Electrical Engineering
• Physics

深入理解热电材料与器件：从基础理论到前沿应用 本书旨在为研究人员、工程师以及高年级学生提供一个全面且深入的指南，涵盖热电材料的物理基础、关键输运机制、先进的材料设计策略，以及热电器件的制造与性能优化。本书不涉及《Thermoelectrics Handbook》中所探讨的特定材料体系或详细的工程手册内容，而是专注于构建坚实的理论框架和通用的技术理解。 --- 第一部分：热电现象的物理基础与输运理论 本部分将系统地回顾和阐述热电效应背后的量子力学和统计力学基础，为理解材料性能的本征限制奠定基石。 第一章：热电效应的微观起源 本章首先介绍了电荷载流子（电子或空穴）在晶体结构中的运动特性，重点分析了能带结构（Band Structure）对热电性能的决定性影响。我们将详细探讨布洛赫定理（Bloch Theorem）在理解电子输运中的作用，以及有效质量（Effective Mass）如何影响载流子迁移率。 随后，我们将深入分析两种核心的热电现象： 1. 塞贝克效应 (Seebeck Effect)： 详细阐述了温度梯度如何驱动具有不同能量的载流子扩散，从而产生电动势。本章将从玻尔兹曼输运方程（Boltzmann Transport Equation, BTE）的简化形式出发，推导出塞贝克系数 ($alpha$) 的基本表达式，并讨论其与费米能级位置的内在关联。 2. 珀尔帖效应 (Peltier Effect)： 从能带和态密度（Density of States, DOS）的角度解释了电流通过异质结时吸收或释放热量的物理机制。本章将定量分析珀尔帖系数 ($Pi$) 与塞贝克系数之间的开尔文关系（Kelvin Relations）。 第二章：热输运与电输运的耦合 热电材料性能的优劣，关键在于如何解耦热输运和电输运。本章将聚焦于理解和量化这两者之间的相互作用。 1. 声子热导的理论模型： 详细介绍晶格振动——声子（Phonons）在材料中传递热量的机制。我们将应用德拜模型（Debye Model）和更先进的费曼-波尔兹曼（Peierls-Boltzmann）方程来描述非金属和金属中的热导率 ($kappa$）。特别强调了晶界散射、点缺陷散射和由电子-声子相互作用引起的声子散射机制。 2. 电子热导（电子的能量传输）： 阐述电子不仅传递电荷，也传递能量。通过维德曼-弗朗茨定律（Wiedemann-Franz Law）的修正形式，我们探讨了电子热导 ($kappa_e$) 与电导率 ($sigma$) 之间的关系，并分析了该定律在不同温度区域和不同材料体系中的适用性与局限性。 3. 热电优值因数（ZT）的深入剖析： 本章的重中之重是热电优值因数 $ZT = frac{alpha^2 sigma T}{kappa}$ 的构建。我们将讨论如何通过材料设计同时优化塞贝克系数（高 $alpha$）、电导率（高 $sigma$）和降低总热导率（低 $kappa$），从而实现高效的热电转换。 --- 第二部分：先进材料设计与性能调控策略 本部分超越了传统材料的性能极限，探讨了如何利用现代材料科学方法来工程化地设计具有优异热电性能的新型结构和复合材料。 第三章：电子结构工程与载流子浓度的精确控制 高性能热电材料通常要求载流子浓度处于一个非常狭窄的“窗口”内。本章侧重于如何通过化学和结构方法来精准调控这一关键参数。 1. 掺杂与非化学计量学： 详细讨论了通过外源掺杂（如N型或P型掺杂）和利用材料的固有缺陷（如空位或间隙原子）来改变费米能级位置的方法。我们将使用密度泛函理论（DFT）计算来预测不同掺杂浓度下的电子态密度和载流子有效质量的变化。 2. 能带工程与电子-声子去耦： 介绍如何通过合金化（Alloying）或超晶格（Superlattices）结构来调控材料的能带结构。重点分析了“能带扁平化”（Band Flattending）和“有效质量的优化”如何提高塞贝克系数，而不显著牺牲电导率。 第四章：声子散射工程：热导率的“软化” 将热导率降至玻璃态水平是实现高ZT值的核心挑战之一。本章专注于通过结构工程来增强声子散射。 1. 纳米结构化效应： 详细探讨了将材料尺寸缩小至声子平均自由程尺度（几十到几百纳米）时所产生的显著热导率下降现象。分析了边界散射（Boundary Scattering）的机制，包括Kimball模型和Casimir模型的适用性。 2. 复杂晶体结构与“类晶格”散射： 考察了具有复杂晶格（如碲化铅、方锰矿、填充方钴矿）的材料，它们内部的复杂振动模式（如“橡皮泥模式”或“悬挂键”）如何有效散射长波声子。讨论了基于格林函数（Green's Function）方法对复杂晶格中声子散射强度的计算。 3. 复合材料与异质结构： 探讨了如何通过引入纳米颗粒（Nanoinclusions）或构建异质界面来引入额外的界面散射中心，从而实现“双重散射”效应——同时散射短波和长波声子。 --- 第三部分：热电器件的制造、性能表征与系统集成 理论与材料的突破最终需要转化为可行的器件。本部分关注器件的实际制造工艺、性能评估标准和在实际系统中的应用挑战。 第五章：热电器件的制造工艺与优化 1. 材料的制备与成型： 涵盖了从粉末冶金（Sintering）、快速固化（Rapid Solidification）到单晶生长等多种热电材料的制备技术。重点讨论了不同工艺如何影响晶粒尺寸、织构（Texture）以及缺陷分布，进而影响宏观的输运性能。 2. 电极接触与界面电阻： 详细分析了热电模块中，热电元件与电极（如铜、镍、贵金属）之间的欧姆接触与非欧姆接触问题。阐述了界面能垒、接触电阻对整体器件效率的负面影响，以及钝化（Passivation）和扩散焊（Diffusion Bonding）技术的重要性。 3. 模块封装与热管理： 讨论了如何将PN结对集成到实际的热电模块（TEG或TEC）中。涉及Peltier/Seebeck元件的串联和并联设计、热沉（Heat Sink）的选择，以及确保器件在长期工作温度下的热机械稳定性。 第六章：器件性能的动态测试与系统效率评估 评估一个热电系统的性能远比测量单个ZT值复杂。本章提供了评估热电模块性能的工业标准和前沿方法。 1. 动态特性测量： 介绍利用瞬态（Transient）或交流（AC）方法来准确分离电子和声子热输运分量的技术。讨论了利用红外热成像技术（Infrared Thermography）对模块内部温度分布进行无损检测的方法。 2. 系统级效率分析： 将ZT值转化为实际的热电转换效率 ($eta$)。针对热电发电机（TEG），本章推导了在特定温差下最大输出功率和效率的表达式，并讨论了热源阻抗和冷端散热能力对整体系统性能的限制。 3. 可靠性与长期运行挑战： 分析了热电材料在高温循环（Thermal Cycling）和气氛暴露下可能发生的退化机制，包括载流子浓度的漂移、界面失效以及材料的蠕变（Creep）。 本书为读者提供了一个超越特定材料手册的、更具普适性的热电科学与工程的深度视角，强调了从第一性原理到实际应用的全链条理解。

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