横向热电效应的应用外文翻译资料

 2022-07-29 16:45:18

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横向热电效应的应用

H.J. GOLDSMID

摘要：大多数热电效应利用了塞贝克和帕尔贴效应。然而，产生电流与热流方向垂直的横向热电效应也是可能实现的。这在某些方面具有一定优势，比如，它使得制造无层级级联、仅使用一块材料的热电冰箱成为可能。将热流与电流分离的好处已经在低温下使用横向热磁效应中得到了有力的证实，但它在常温下的运用

具有吸引力。这种效应可以在任何塞贝克系数是各向异性的材料中被发现。然而，要达到具有实用价值的程度，材料需要有一个大的各向异性的塞贝克系数和高的电导率对热导率比值。没有发现已知的均匀物质能同时具有这两种性质。另一方面，可以通过合成一种由两种组分构成的材料来获得所需的参数。两个组分A和B可以构成一个热电对来获得一个大的传统器件的热电优值ZAB，横向热电效应的最佳的热电优值Zphi;只能在两种组分具有不同的电导率和热导率的情况下接近

ZAB。许多工作者已经使用半导体－金属或半导体－半金属的组合来尝试满足所需的属性条件。也有人提出可以通过是其中一种组分多孔来满足性能要求。本文将回顾横向热电方面的工作并对实用器件的前景进行讨论。

关键词：塞贝克效应，珀尔帖效应，横向热电效应，两相材料，多孔导体

引言

传统的热电器件是基于纵向的塞贝克和珀尔帖效应，这种情况下电流和热流方向是同向的。然而，在塞贝克系数是各向异性的任何材料中，从某个方向切割的样品会展现出横向的热电效应。因此，在横向的珀尔帖效应中，一个纵向的电流会产生一个横向的热流。同样，在横向的塞贝克效应中，一个纵向的温度梯度会产生一个横向的电场。横向热电效应和横向热磁效应相像，在一些方面具有比已知的纵向热电效应更具有优势。在传统的热电转换器中，RK的乘积不会随着长度或横截面积的变化而变化，其中R是电阻率，K是电导率。另一方面，在横向热电器件中，这两个参数能够相对独立地调节。因此，当纵向的热电器件必须组装成包含许多热电对的模块来满足适合的电流和电压需要，这对于横向热电器件来说不是问题。从理论上讲，一个横向的可以处理任何特定热流的热电发电机或热电冰箱能够用一块具有适当几何维度的材料制作。

电流和热流的分离允许我们至少设想两个横向效应在其中特别具有优势的应用：作为能快速响应的热探测器和无层级级联的珀尔帖制冷器。但是，必须要意识这些应用中横向效应也有其不利的一些方面，这些必须在选择这种模式时加以考虑。

我们可以看到，一个横向热电材料样品中包含两种物相。以某种方式获得了合适的两相各向异性材料，然后必须在某个特定的方向切割样品，换言之，一个横向热电材料可能比组建一个传统的热电对跟加困难。此外，在横向热电器件的等温和等电位表面会有变形，让人不能期待样品的整体宽度完全有效。并且，我们也会发现横向热电优值通常都会比由那两相材料组成热电对的要小。尽管有这些缺点，还是有横向热电器件优越的情况。

在考虑使用横向热电效应的能量转换之前，我们可以简要讨论能斯特和厄廷好森效应，这些热磁效应和横向热电效应相似除了它们需要垂直作用于热流和电流的磁场。当有两种类型的载流子时，电子和空穴以相反的方向运动，热电效应会变得更小。然而，在横向的热磁效应中，电子和空穴是协同作用的。因此，当一种导体的能带太窄不足以实现热电转换时，它可能非常适用于热磁性应用。比如，Bi和Bi－Sb合金，它们既不是半金属也不是窄带半导体，但是它们已被展现出可以作为有用的低温热磁材料。在更高的温度下，它们的热磁性就不再适用了，因为磁场B必须足够大以实现mu;B的乘积满足要求或者更大，其中mu;是载流子的迁移率。只有在低温的情况下，这个迁移率才足够大以实现热磁的能量转化可被观察到。在Bi中，这个热磁效应已被用于证明横向级联的制冷器的总体简便性。

横向热电优值

我们现在简要介绍一下描述横向热电器件和传统热电对能量转换方程式之间的相似之处和不同之处。我们定义横向塞贝克系数为横向电场和纵向温度梯度的比值。同样地，定义横向珀尔帖系数为横向热流密度与纵向电流密度的比值。必须指定温度测量点与样品的边缘位置保持足够的距离，确保边缘不会对结果造成影响。对于横向热电发电和制冷器件的制冷发电能力、性能指数和效率来说，表达的方程式和传统热电对的具有相同的形式。除了在电流x方向上的阻抗为rho;xLx/(LzLy)，同时在y方向上的热流为lambda;yLxLz/Ly。这里rho;是电阻率，lambda;是热导率并且L是长度。这意味着，如果需要的话，通过增加Lx与Ly的比值，一个高的电阻率能够和一个高的热导率结合。对于纵向热电来说，电阻R和热导K的乘积RK等于rho;xlambda;yL2 x/L2 y，而，这个乘积为rho;xlambda;y。

对于传统热电发电或制冷器件对来说，理想的性能系数能通过热电优值来表达。假设一个塞贝克系数各向异性的材料在x0和y0方向上的塞贝克系数分别为alpha;x0和alpha;y0。横向珀尔帖和塞贝克效应将不会产生除非样品是从某个角度被切割的。横向热电优值被称为Ｚphi;，它和普通热电对的Ｚ具有完全相同的意义。

利用横向塞贝克效应在快速热探测上的可能性意味着相对低的Ｚphi;有时可以接受，但对于珀尔帖冷却来说，一个大的热电优值是至关重要的。尽管如此，利用横向热电效应制造无间断级联的方式意味着可以接受一个与纵向热电效应Z较低的Ｚphi;。在一个级联中，每一层从前一层带走和传递热量，与自身产生的热量一起到下一层。在一个传统的级联热电器件中，增加每一层热电对的数量以使把热量从热源传递到水槽的需求得到满足。然而，运用横向级联仅需要一块材料不断改变横截面积，可以得到相同的结果。宽度Ｌz必须与exp(cdT/dy)成比例，其中ｃ是一个取决于热电优值的品质因数。因为cｄT/dy可能近似恒定，变化趋势应该呈指数形状。

合成横向热电器件的理论

即使是各向异性半导体，当只有一种载流子时，塞贝克系数的各向异性也非常低，这种各向异性如果发生，可归因于散射定律的各向异性。当两种载流子电子和空穴都存在时，如铋中，较大的各向异性可能产生，但即使在这种情况下，横向热电优值也总是低的。我们已经发现了纯单晶Bi的无量纲热电优值Ｚphi;T不超过0.02，对于掺杂的Bi-Sb合金这个值要更大一点。然而，已经显示出大的Ｚphi;可以在两相体系中得到。典型的这种两相材料是多层结构，但是为确定热电性质的各向异性，我们使用简单的双层模型来讨论。如图1所示。在实际中，材料由许多层结构组成。

我们假设组件A和组件B有塞贝克系数alpha;A和alpha;B。在x0方向每个部件将根据其热阻贡献热电电压。另一方面，在y0方向每个组件将有助于整体塞贝克系数根据其电导率。从而，

（1）

和

（2）

其中K是在x0方向上测量的，R是在y0方向上测量的。理想情况下，alpha;A和alpha;B应该是较大的且符号相反。如果可能的话，可以选择合适电导率和热导率的组件使得sigma;Alambda;Agt;gt;sigma;Blambda;B来满足KAgt;gt;KB和RBgt;gt;RA。那么，在x0方向上，总的Seebeck系数约等于alpha;B，在y0方向上约等于alpha;A。

图1 各项异性合成材料的简单模型

图2 从两相多层材料中切割出一块合成的横向热电材料。在横向珀尔帖器件中，电流方向x与x0方向形成夹角phi;，y是热流方向。

这种各向异性的热电材料必须以与x0方向成某个角度phi;从两相材料中切割得到，如图２所示。假设每层的厚度为dA或者dB并且dB/dA=n。那么KA/KB=lambda;a/nlambda;B并且RA/RB=nrho;A/rho;B。在x0和y0方向上，有效的电阻率可以通过分别组合层或层叠得到。同样地，在x0方向上有效的热导率通过层叠建立，但在y0方向上有点复杂。额外的珀尔帖热转化因为环绕的电流产生，所以,

（3）其中ZAB和传统的热电对一样，是两组分的总体热电优值。由于这些环绕电流的存在，横向热电器件的热电优值不如相同组分组成的传统器件的那么大。

以phi;角度切割的样品的输运参数如下

（4） （5）

并且

（6）

输运的热电优值就是：

（7）

在两种组分确定的情况下，最大的Zphi;可以通过数学计算得到，但是Babin等人表明如果sigma;Alambda;Agt;gt;sigma;Blambda;B，一个简单的分析式可以派生出来。表达式如下

（8）

如果术语（1 ZABT）不存在的话，这个横向热电的最大Zphi;可以和传统热电器件的热电优值相等。然而，当ZAB变得比一大很多时，和ZAB的差别也随之变大。图3是无量纲横向最大热电优值和由相同组分组成的传统器件的热电优值对比图。为由图得到对比结果，假定两种组分电导率与热导率的比值相同。

图3 无量纲横向热电优值与纵向热电优值对应图

当ZTlt;lt;1，两边的热电优值几乎相同，当ZT=4时，它们的大小相差到２。换言之，横向热电效应将变得更加无竞争力当ZT远远比１大时变得司空见惯。

Babin等人获得了理想的组分厚度比例，n和角度phi;的表达式，但通过计算确定这些参数非常简单。没有一个看起来特别关键。

当不满足条件时，横向热电优值变得比公式（8）显示的更小。事实上，如果sigma;Alambda;A=sigma;Blambda;B，Zphi;下降至零。因此，在一个两相系统中，对于一个大的横向热电优值要满足两个条件。两种组分的传统热电优值要尽可能地大，同时应该满足不等式sigma;Alambda;Agt;gt;sigma;Blambda;B。

横向热电器件的实验

第一次横向热电能量转换的证明是由Korylyuk发现的，使用的是半导体锑镉。可以预料到，它的性能很差，因为它是单相的材料。Gudkin等人获得了非常好的效果。在1978年使用一个由铋－锑碲和铋。他们观察到了等于0.25的横向热电优值并且使用一个线型块体，得到了23℃的珀尔帖冷却。当横截面积变成梯形以至于冷端的宽度只有散热器的十分之一时，这个冷却效应上升到35℃。大概的一个指数形趋势使得温差进一步增加。

随后一些报道的重点在横向塞贝克效应在快速热探测上的应用。因此，Zahner等人已经描述过由金属箔片堆叠成的横向热电器件。他们表明，热探测器的响应时间由1mm厚时的10ms降至0.1mm厚时的0.1ms。Huber等人展现了Bi2Sr2Ca

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