隨著能源危機和環(huán)境污染的加劇，社會對環(huán)保、節(jié)能以及能源重復利用的需求在不斷增加。日益嚴重的能源危機和環(huán)境問題使高溫工業(yè)廢熱的回收利用成為萬眾矚目的焦點。在此背景條件下，性能優(yōu)異的熱電材料在電熱能的轉換上存在著重要的實踐應用前景。

什么是熱電材料？

熱電材料是一種用能來實現(xiàn)熱能和電能的直接相互轉換的新型功能材料，也是一種新型半導體能源材料，用不同組分的N型和P型熱電體可組成的半導體制冷和溫差發(fā)電裝置。1823年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應和1934年發(fā)現(xiàn)的帕爾帖效應為熱電能量轉換器和熱電制冷的效應提供了理論依據(jù)。熱電材料具有交叉耦合的熱電輸送性質(zhì)，可以組成溫差發(fā)電器件和半導體制冷裝置。

目前關注較多的熱電材料有3種：合金半導體、金屬固溶體及氧化物陶瓷。研究比較多的主要包括過渡金屬氧化物和非過渡金屬氧化物。比之金屬熱電材料，氧化物的電導率比較低。

氧化物陶瓷熱電材料的優(yōu)點：

（1）成本低。合成氧化物熱電材料的原料來源廣，制備工藝工程簡單，對設備沒有特殊需要。比如無需真空、氣氛保護等環(huán)節(jié)。

（2）耐高溫、不易氧化。氧化物材料自身有化學結構穩(wěn)定的優(yōu)點，制備的熱電材料可以在高溫和特殊條件下工作。沒有毒性，也不會產(chǎn)生輻射。

因為氧化物熱電材料自身的優(yōu)勢特點使得研究人員對其關注，因此加強對氧化物陶瓷熱電材料的物性研究，是具有積極現(xiàn)實意義的。經(jīng)試驗表明，為了提高氧化物的導電性能，可以分別摻雜堿金屬Na，Li，K；稀土Ce，Nd，Sm，Gd等；堿土金屬Ca，Mg，Sr等元素。目前氧化物陶瓷主要采用固相反應合成。

提高氧化物熱電材料性能主要有以下途徑：

（1）改變熱電材料物性以降低熱導率。材料的熱導率由電子熱導率和聲子熱導率兩部分組成。氧化物熱電材料要有比較高的電導率，也會限制對材料電子熱導率的調(diào)節(jié)。不過一般氧化物熱電材料中電子熱導率占總熱導率的比較很小。通過調(diào)節(jié)聲子熱導率就能調(diào)節(jié)材料的熱導率，從而達到提高材料的熱電性能的目的。材料聲子熱導率與材料內(nèi)部的聲子散射有關。

（2）材料的納米結構復合化。納米結構復合化就是在材料中摻入納米尺寸的雜質(zhì)相。把氧化物熱電材料和納米雜質(zhì)復合就能制備具有納米結構的復合氧化物熱電材料。其顯著提高材料熱電性能的原因在于，利用聲子散射效應就可以降低材料的聲子熱導，同時利用彌散在基體中納米顆粒的滲流效應與特殊界面效應就能提高材料的電導率。

（3）把氧化物熱電材料做成多晶材料。通過這個辦法，盡可能降低多晶材料的晶粒尺寸至納米級尺寸，通過材料低維化來改善材料的輸運性能，降低聲子熱導率，從而提高材料的熱電性能。經(jīng)過計算驗證，材料的熱導率將隨著材料層厚度的降低而降低。多層取向不同的納米級超晶格的材料會有很高的熱電轉換效率。由此可見，晶粒細化可以明顯降低材料的熱導率，低維化也將成為高性能熱電材料的發(fā)展方向之一。

（4）摻雜修飾材料的能帶結構。通過摻雜增大材料帶隙與費米能級附近的狀態(tài)密度，以提高載流子的遷移率和濃度，使載流子處于最佳濃度，增加缺陷對聲子的散射，降低熱導率，提高熱電優(yōu)值。較大原子量能夠降低原子振動頻率以及聲子熱導率，需要盡量選用原子量較大的摻雜劑。

（5）采用元素取代或替代的方法。在氧化物陶瓷材料中，有一些具有高溫超導電性，比如銅氧化物的高溫超導電性。用元素取代或替換能夠衍變生產(chǎn)各種可能具有超導性的復合物。