李 潮，苗 蕾，劉呈燕，楊恒全，周建華

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

納米硅鍺熱電材料和納米器件的研究進(jìn)展*

李 潮1,2，苗 蕾1?，劉呈燕1，楊恒全1,2，周建華1

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

近年來，納米技術(shù)逐漸被用來設(shè)計和制備硅鍺（Si?Ge）熱電材料和新型器件。為了提高Si?Ge熱電材料的熱電性能，研究學(xué)者利用各種納米結(jié)構(gòu)對Si?Ge熱電材料進(jìn)行了理論研究。其中，利用納米線、超晶格和量子點等結(jié)構(gòu)中的能帶機(jī)理與散射機(jī)理，從理論上設(shè)計了降低Si?Ge納米結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率和提高其功率因子的途徑。同時，高效的Si?Ge納米熱電材料被制備出來，包括納米塊體材料的熱電性能得到大幅度提高，室溫下薄膜和納米線的熱電性能實現(xiàn)了重大突破。在高性能材料的基礎(chǔ)上，新型Si?Ge納米熱電器件的研發(fā)除了關(guān)注于制備工藝優(yōu)化外，還包括傳熱結(jié)構(gòu)和原型器件的設(shè)計。

硅鍺（Si?Ge）；熱電材料；納米結(jié)構(gòu)；ZT值

0 前 言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展對化石燃料的巨大需求導(dǎo)致了化石燃料日益枯竭，并且由于化石燃料消耗引起的環(huán)境污染和全球氣候變化對人類社會造成的損失日漸嚴(yán)重[1]。開發(fā)綠色環(huán)保以及高效的新型能源正成為科學(xué)家研究工作的重要任務(wù)之一。熱電器件能將熱能直接轉(zhuǎn)化成電能，不需要復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且能與多種熱源聯(lián)用。因此，熱電技術(shù)是一種無噪聲、清潔和可再生的綠色新能源，具有巨大的潛在應(yīng)用前景[2-4]。

熱電材料利用賽貝克（Seebeck）效應(yīng)將熱能直 接轉(zhuǎn)化成電能。當(dāng)熱電偶兩端存在溫差時，同一種載流子由于具有不同能量和存在散射等原因，造成載流子的遷移率不同而在材料兩端形成電壓，再與外電路連接形成電流[2,3]，其產(chǎn)生電壓的表達(dá)式如式（1）。

式中，α為Seebeck系數(shù)，Th為高溫端溫度，Tc為低溫端溫度。根據(jù)最佳使用溫度范圍不同可以將熱電材料分為高中低溫材料，其中高溫?zé)犭姴牧弦怨?、鍺以及Si?Ge合金材料最具代表性，通常用來高溫發(fā)電。同時，熱電材料可以利用帕爾貼（Peltier）效應(yīng)直接將電能轉(zhuǎn)化為熱能用來制冷[2,3]，如式（2）所示。

式中，π是Peltier系數(shù)，I是通過器件的電流強(qiáng)度。衡量熱電材料性能的綜合參數(shù)是熱電優(yōu)值（ZT值）[5]，其表達(dá)式如式（3）。

上式中，σ為材料的電導(dǎo)率，λ為材料的熱導(dǎo)率。

Si?Ge作為第IV主族元素中重要高溫?zé)犭姴牧?，具有面心立方結(jié)構(gòu)和拋物線型的能帶結(jié)構(gòu)[6]。Si?Ge熱電材料在性能方面具有高Seebeck系數(shù)和高電導(dǎo)率，因此具有較高的功率因子。但是由于Si?Ge具有較高的熱導(dǎo)率，所以通常Si?Ge的ZT值不高。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于Si?Ge熱電材料的理論研究取得了長足的進(jìn)步，其性能也獲得了大幅度的提高，圖1為Si?Ge熱電材料ZT值的增長趨勢及預(yù)測。如前所述，Si?Ge由于具有較高的熱導(dǎo)率導(dǎo)致ZT值較小，因此無論從理論還是實驗上的研究都是主要圍繞如何有效地降低Si?Ge熱導(dǎo)率來提高ZT值進(jìn)行，同時進(jìn)行新型納米熱電器件的研發(fā)。本文將從納米技術(shù)降低Si?Ge熱導(dǎo)率以及提高功率因子，Si?Ge納米熱電材料以及納米器件的制備等方面對Si?Ge熱電材料的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

圖1 Si?Ge熱電材料熱電的發(fā)展趨勢Fig. 1 Development of Si?Ge thermoelectric materials

1 Si?Ge熱電材料理論研究

在20世紀(jì)90年代，納米技術(shù)被認(rèn)為是一種可能會顯著提高熱電材料性能的途徑。這一預(yù)期主要是因為納米顆粒對電子具有強(qiáng)的約束作用而提高功率因子，同時能增加界面對聲子散射而降低晶格熱導(dǎo)率[7-9]。熱電材料的低維納米化研究主要集中在超晶格（或超晶格量子點）薄膜材料，此外也包括納米線、包含納米晶粒的塊體等材料[10-12]。由于Si?Ge具有較高的熱導(dǎo)率導(dǎo)致其具有較低的熱電性能，因此研究學(xué)者在納米尺度下，從聲子波長、色散關(guān)系和傳播函數(shù)等方面提出了降低Si?Ge晶格熱導(dǎo)率的理論和方法。

1.1 聲子的空間限制與局域化

在納米粒子中，聲學(xué)聲子的空間限制作用影響著它們的色散關(guān)系[13-14]。Balandin等[15]認(rèn)為在設(shè)計聲學(xué)聲子譜的時候，首先需要獲得材料在不同維度下的色散關(guān)系。在納米尺度下，色散關(guān)系的改變會導(dǎo)致聲學(xué)聲子的群速、模式密度或聲學(xué)聲子與缺陷作用的方式發(fā)生改變。在納米塊體材料和薄膜材料中，色散關(guān)系的設(shè)計將強(qiáng)烈依靠異質(zhì)材料的存在。Si?Ge超晶格材料的界面效應(yīng)對于聲子的限制作用很明顯，Lee等[16]實驗證明了13 nm Si?Ge超晶格材料具有極小的熱導(dǎo)率，這一發(fā)現(xiàn)極大地刺激了研究學(xué)者對超晶格材料熱導(dǎo)率的研究興趣。近年來，研究學(xué)者根據(jù)空間限制和界面散射對Si?Ge超晶格、納米線以及納米鑲嵌型塊體材料進(jìn)行了分析和預(yù)測。超晶格的cross-plane方向，由于異質(zhì)材料的振動模式不匹配和平均自由程不匹配會引起熱導(dǎo)率降低[17-22]。Si?Ge納米線的色散關(guān)系不僅依賴于直徑和表面粗糙度，也與Si?Ge異質(zhì)結(jié)有關(guān)，即材料成分和界面狀態(tài)[23-26]。此外，超晶格納米線中異質(zhì)結(jié)對聲子的過濾效應(yīng)也被研究來降低Si?Ge熱電材料的熱導(dǎo)率[27-29]。

光學(xué)聲子的縱波與原胞中的原子振動方向是一致的，幾乎不被界面改變。但是通過聲子?電子之間的相互作用，電子能量的改變會傳遞給聲子，從而改變聲子的能量。異質(zhì)結(jié)材料中，通過聲子能量和波長的不匹配，將會使光學(xué)聲子局域在一種材料中而降低光學(xué)聲子進(jìn)入另一種材料中的總量，使得光學(xué)聲子的傳導(dǎo)效率降低。除上述研究之外，研究學(xué)者還在設(shè)計各種新型納米結(jié)構(gòu)，例如Si?Ge核殼結(jié)構(gòu)納米線、聲子門器件以及納米多孔結(jié)構(gòu)等方面做了大量工作[30-31]。

1.2 功率因子的優(yōu)化

Si?Ge熱電材料在沒有進(jìn)行摻雜的情況下，在300 K具有較大的Seebeck系數(shù)（1 100 μV/K），但具有較小的電導(dǎo)率。而引入摻雜后，電導(dǎo)率大幅度提高而Seebeck系數(shù)大幅度降低（小于300 μV/K）。因此，研究學(xué)者希望通過調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)和載流子散射機(jī)理來獲得較高的Seebeck系數(shù)，或在Seebeck系數(shù)不變的情況下，提高載流子的遷移率來提高電導(dǎo)率。

1993年，Hick等[32-33]提出了超晶格熱電材料的理論模型并模擬，結(jié)果表明在超晶格材料中，由于載流子的有效質(zhì)量具有各向異性以及態(tài)密度分布呈現(xiàn)量子化特性，因此有可能大幅度地提高熱電材料的功率因子。在此基礎(chǔ)上，Koga等[34-35]提出了Carrier-pocket模型，根據(jù)此模型，在Si?Ge超晶格材料中，由于電子結(jié)構(gòu)的各向異性引起各個方向上能谷的擴(kuò)展情況不同，當(dāng)費(fèi)米能級進(jìn)入價帶頂或?qū)У讜r將引起載流子遷移率的變化而提高Seebeck系數(shù)。

Si?Ge納米線是一種有效降低熱導(dǎo)率的方法，但是這種降低被認(rèn)為具存在一個極小值，因此提高功率因子是進(jìn)一步提高Si?Ge納米線熱電性能的一種重要方式。除了摻雜之外，Si?Ge納米線的直徑和生長方向為提高功率因子提供了可以調(diào)節(jié)的參數(shù)，有研究表明，納米幾何形貌對電導(dǎo)率的影響強(qiáng)于Seebeck系數(shù)的影響，而納米線中離子散射對提高Seebeck系數(shù)起著十分重要的作用[36-37]。

Si?Ge超晶格量子點薄膜中具有大量的界面，其包含的量子點尺寸非常小，可以散射和（或）限制聲子的輸運(yùn)而降低熱導(dǎo)率；同時，由于量子點具有σ-態(tài)密度，能對電子產(chǎn)生強(qiáng)的局域化作用而使材料具有較大的Seebeck系數(shù)[38-39]。隨著量子點尺寸的減小，能帶分裂可能出現(xiàn)較窄的電子能帶，會導(dǎo)致一些塊體材料和其它納米材料所沒有的效應(yīng)，例如自旋Seebeck效應(yīng)、Fano效應(yīng)和反常Fano效應(yīng)等。當(dāng)量子點尺寸降低到與電子波長相近時，分立的能帶將符合Pauli不相容原理。當(dāng)一個電子占據(jù)能帶后，另一電子將無法進(jìn)入量子點中，電子出現(xiàn)強(qiáng)關(guān)聯(lián)性而表現(xiàn)為強(qiáng)局域化特征。Fano共振作為重要的電子關(guān)聯(lián)輸運(yùn)效應(yīng)而被應(yīng)用在多量子點體系中以便提高其功率因子。量子點中的Fano共振在界面處分為兩種情況，共振和非共振輸運(yùn)。這兩種途徑將因為電子遷移率的不同而提高Seebeck系數(shù)，但是由于電子的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性將使熱導(dǎo)率違背Wiedemann-Franz原則而具有較低的電導(dǎo)率[40-41]。在室溫下，雙量子點的Aharonov-Bohmring環(huán)器件中，F(xiàn)ano共振對于材料的功率因子提高作用明顯，同樣，低溫下反常Fano 共振也能提高功率因子，并且ZT值可能達(dá)到1[42]。

Si?Ge熱電材料由于具有較高的熱導(dǎo)率而不具備好的熱電性能，但是由于其晶格結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)簡單，所以是理想的理論和驗證材料。各種具有納米結(jié)構(gòu)的Si?Ge熱電材料被設(shè)計來降低熱導(dǎo)率和提高功率因子，對熱電材料的發(fā)展具有十分重要的意義。

2 Si?Ge納米熱電材料的制備

隨著材料納米制備技術(shù)的提高，不斷有各種Si?Ge納米結(jié)構(gòu)材料被制備出來。Si?Ge熱電材料的制備技術(shù)也從最初的區(qū)熔法等[43]合金制備方法發(fā)展到使用機(jī)械合金法、真空鍍膜法以及金屬輔助刻蝕法等。

機(jī)械合金法制備的Si?Ge熱電材料由于具有納米結(jié)構(gòu)（較低的熱導(dǎo)率）而被廣泛研究。20世紀(jì)八九十年代，研究學(xué)者對Si?Ge熱電材料的機(jī)械合金法工藝進(jìn)行了深入的研究，包括球磨球的材質(zhì)和熱壓溫度對晶粒的影響[44-45]，氧氣含量對Si?Ge熱電材料電學(xué)性能和傳熱性能的影響[46]以及重?fù)诫s和摻雜對晶界的影響[47]。在此基礎(chǔ)上，麻省理工學(xué)院（MIT）納米工程團(tuán)隊利用高能球磨和熱壓技術(shù)分別合成了高摻雜的n型和p型納米塊體熱電材料，如圖2所示，100 nm及以下多尺寸結(jié)構(gòu)的存在增加了材料中的界面排列，使得晶界對聲子的散射作用增強(qiáng)而降低熱導(dǎo)率；同時，在他們的系列工作中發(fā)現(xiàn)材料的電導(dǎo)率并沒有隨界面的增加而增加，因此獲得了ZTp=1和ZTn=1.3的高性能Si?Ge熱電材料[48-49]。盡管納米尺寸界面能通過散射聲學(xué)聲子降低熱導(dǎo)率，然而對于波長小于1 nm的聲子可能是無效的。該課題組通過在Si中引入5%的Ge，構(gòu)成點缺陷從而散射短波長的聲子進(jìn)一步降低熱導(dǎo)率[50]。調(diào)制摻雜在真空鍍膜中提高載流子遷移率是十分有效的，但在塊體中卻鮮有研究。MIT的納米工程團(tuán)隊將這一概念引入到塊體熱電材料中，3D摻雜的塊體材料中含有摻雜相和未摻雜相，如圖3所示。由于未摻雜相載流子的離子散射作用幾乎不存在，使得調(diào)制摻雜材料中的載流子遷移率比單一摻雜的材料有大幅度提高，進(jìn)而提高了電導(dǎo)率和功率因子。同時，他們還調(diào)研了合金比例在調(diào)制摻雜中的作用，發(fā)現(xiàn)含5%的Ge對提高ZT值是最有效的[51-52]。此外，其它研究團(tuán)隊對重?fù)诫sSi?Ge合金，制備工藝中的球磨條件、SPS燒結(jié)技術(shù)也做了探討[53-54]。機(jī)械合金法制備塊體Si?Ge熱電材料大幅度地提高了材料的熱電性能，同時很大程度上推動了Si?Ge納米塊體熱電材料的理論研究。

圖2 （a）n型納米塊體Si?Ge材料的TEM[48]；（b）p型納米塊體Si?Ge材料的TEM[49]Fig. 2 (a) TEM of n-type nano-Si?Ge alloy[48]；(b) TEM of p-type nano-Si?Ge alloy[49]

圖3 （a）調(diào)制摻雜的能帶原理圖，n型調(diào)制摻雜的ZT值[51]；（b）p型調(diào)制摻雜的功率因子，調(diào)制摻雜分布原理圖[52]Fig. 3 (a) Schematic diagram of modulation doping band structure,and ZT of n-type modulation doping[51]；(b) Power factor of p-type modulation doping,and Schematic diagram of particle distribution[52]

雖然薄膜材料是一類優(yōu)異的熱電材料，例如PbSeTe/PbTe超晶格量子點的熱電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其對應(yīng)的體材料[55]，但是制備熱電薄膜材料的設(shè)備成本高昂，例如磁控濺射、金屬有機(jī)物氣相沉積（MOCVD）、等離子體增強(qiáng)氣相沉積（PECVD）等技術(shù)，此外這類制備工藝復(fù)雜繁瑣，不利于大規(guī)模應(yīng)用。但是，薄膜熱電器件是一種具有巨大潛在應(yīng)用價值的電子器件制冷技術(shù)?，F(xiàn)代電子工業(yè)是以硅為基礎(chǔ)建立起來的，Si?Ge熱電材料可以與電子器件直接復(fù)合實現(xiàn)控溫器件。因此，Si?Ge熱電薄膜材料的性能亟待提高。Paul團(tuán)隊利用MOCVD和PECVD技術(shù)制備了具有高性能Si?Ge超晶格熱電材料。他們使用PECVD制備出具有不同Si?Ge比例的合金超晶格、不同厚度分布的超晶格，這些超晶格具有較大的功率因子和較低熱導(dǎo)率，功率因子最大值可能達(dá)到6 mW/(m·K2)，熱導(dǎo)率最小值可能達(dá)到4.5 W/(m·K)[56-58]。其它結(jié)構(gòu)薄膜材料的研究也取得了巨大進(jìn)展[40,59-61]，例如自組裝Si?Ge量子點的多界面性降低熱導(dǎo)率而提高ZT值、激光刻蝕法制備納米尺寸的多孔Si?Ge薄膜降低熱導(dǎo)率以及在一個量子點實現(xiàn)多疊層結(jié)構(gòu)而大幅度降低熱導(dǎo)率。

納米線在一維方向由于表面粗糙導(dǎo)致熱導(dǎo)率巨大降低。楊培東等[62]使用金屬輔助刻蝕的方法制備具有粗糙界面的硅納米線，直徑為50 nm的Si納米線在室溫時具有較小的熱導(dǎo)率，僅為塊體硅的1/75。因此，在室溫下Si納米線具有較高的ZT值，最大可以達(dá)到0.7。同年，Boukai等[63]制備了ZT值為1的高性能納米線，他們在SiO2上沉積摻雜了400 nm厚的Si之后，反復(fù)氧化和刻蝕獲得直徑為20 nm和35 nm的Si納米線。當(dāng)該納米線處于低溫時，聲子?電子拖拽效應(yīng)提高Si納米線的Seebeck系數(shù)和降低熱導(dǎo)率，從而提高了Si的熱電性能。相比Si納米線，Si?Ge納米線或超晶格納米線可能因合金散射等機(jī)制而具有更低的熱導(dǎo)率，因此被用來提高Si?Ge的熱電性能。同時，熱電性能的提高又極大促進(jìn)了納米線器件的研究。

納米技術(shù)在Si?Ge熱電材料中的應(yīng)用極大地提高了其熱電性能，為高溫?zé)犭娖骷难邪l(fā)提供了可靠保證。Si?Ge熱電材料應(yīng)用也從單一的高溫發(fā)電逐步拓展到低溫制冷以及低溫發(fā)電方面。

3 新型納米器件的設(shè)計和制備

熱電器件是熱電材料用來發(fā)電和制冷的主要載體，熱電器件的設(shè)計主要涉及材料的選取、傳熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計和電傳導(dǎo)的設(shè)計。在20世紀(jì)70年代，Si?Ge熱電材料已經(jīng)被用于制造放射性同位素發(fā)電機(jī)，并應(yīng)用于美國軍用通訊衛(wèi)星以及航天探測器等設(shè)備[64-65]。納米塊體熱電材料可以直接利用傳統(tǒng)的熱電器件模型來制備單級或多級熱電器件，盡管這種熱電器件的制備是簡單、可行的，然而納米熱電材料的服役性能，尤其是納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一直被人們質(zhì)疑[9]。但伴隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展，更多微器件和設(shè)備被研制出來，其能源供給和制冷需求正是微電子領(lǐng)域急需的。因此，微能源系統(tǒng)和微制冷系統(tǒng)的研究變得舉足輕重。熱電材料因為能實現(xiàn)電和熱的雙向轉(zhuǎn)換，所以被認(rèn)為是一種具有巨大潛力的新型微能源和微制冷載體[65]。Si?Ge作為半導(dǎo)體工業(yè)中最重要的材料，其加工技術(shù)成熟、生產(chǎn)成本相對較低，而且它具有可靠性高、無毒等優(yōu)勢，所以Si?Ge熱電材料在微型系統(tǒng)的研究潛力巨大，大量的新型器件正被研發(fā)。

微器件的設(shè)計通常是以IV-IV合金或V-IV合金材料為主，Si?Ge微型熱電器件的設(shè)計集中于器件的幾何設(shè)計和材料設(shè)計，幾何設(shè)計主要涉及尺寸和傳熱結(jié)構(gòu)對于器件的Seebeck系數(shù)、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率等性能的影響，例如超晶格的周期尺寸對于熱導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)的影響。Dresselhaus及Paul等對Si?Ge薄膜器件的模型及性能進(jìn)行了大量的研究。Dresslhaus等[66]設(shè)計了一種簡單的Si?Ge超晶格熱電器件，研究發(fā)現(xiàn)超晶格周期尺寸對于熱電器件的性能影響較大，隨著超晶格周期的減小，Si?Ge熱電器件的性能提高。而Paul等利用現(xiàn)代微加工技術(shù)制備了Si?Ge微發(fā)電器件和微制冷器件，發(fā)現(xiàn)超晶格周期越短，器件的Seebeck系數(shù)越大，如圖4c所示[67-68]。除了材料性能對器件的影響之外，組成微器件的熱電偶對的尺寸對器件影響也十分明顯，這部分工作主要以互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary metal oxide semiconductor,COMS）結(jié)構(gòu)和雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Bipolar complementary metal oxide semiconductor,BICOMS）結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究[69-71]。

由于Si?Ge納米線熱電材料的重大突破，Si?Ge納米線器件也被大量研究。單根Si納米線器件的研發(fā)，主要是以雙橋器件為主，如圖4a、4b所示[72-73]。雙橋結(jié)構(gòu)試樣主要被用于測量薄膜材料及納米線的熱導(dǎo)率和熱電性能。除了雙橋器件，其它納米線原型器件也被用來發(fā)電和制冷，如圖4d所示。Abramson等[74]將Si納米線與聚對二甲苯聯(lián)合使用制備出新型Si納米線熱電器件，并通過3ω法對Si納米線器件性能進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明器件具有極小的熱導(dǎo)率，而功率因子幾乎維持不變。其它Si?Ge納米線器件（如門型納米器件等）也被設(shè)計出來[75]。

圖4 （a）納米線測試試樣局部顯微圖[72]；（b）納米線測試試樣整體圖[73]；（c）Si?Ge超晶格熱電發(fā)電機(jī)[67]；（d）直立式納米線器件原理圖[74]Fig. 4 (a) Local image of nanowires measurement device[72]；(b) The overall image of nanowires measurement device[73]；(c) Si?Ge superlattice generator[67]；(d) Schematic diagram of vertical heat transfer nanowires device[74]

微型熱電器件的研發(fā)對現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用，微型化的能源系統(tǒng)使得小尺寸的便攜式設(shè)備更容易實現(xiàn)。圖5所示為新型微型Si?Ge熱電器件，其原理是利用人體溫度去發(fā)電供給手表使用[76,77]。微型器件也可能被設(shè)計用來實現(xiàn)微型同位素發(fā)電機(jī)[78]。顯然，越來越多的Si?Ge微型器件將具有在復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用的潛力，這將更進(jìn)一步促進(jìn)Si?Ge微型熱電器件的發(fā)展。

圖5 （a）、（b）體溫型發(fā)電機(jī)[76]；（c）、（d）體溫發(fā)電機(jī)微結(jié)構(gòu)[77]Fig. 5 (a) and (b) body temperature thermoelectric generator[76]；(c) and (d) micro-structure of body temperature thermoelectric generator[77]

4 展 望

近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，越來越來高性能的Si?Ge熱電材料被設(shè)計和制備出來。從近年來Si?Ge熱電材料的發(fā)展形勢來看，Si?Ge熱電材料的研究仍將是以納米技術(shù)為載體來尋找降低熱導(dǎo)率的可行性方法為主。各種納米結(jié)構(gòu)將成為Si?Ge提高熱電性能的重要途徑，納米線、超晶格、超晶格量子點和納米塊體等結(jié)構(gòu)中的能帶機(jī)理與散射機(jī)理可能被進(jìn)一步研究，用來制備熱電性能更優(yōu)異的Si?Ge材料。

隨著Si?Ge熱電材料性能的逐步提高，新型微型熱電器件的研發(fā)也將成為Si?Ge熱電材料的一個重要方面。

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Review of Nano Si?Ge Thermoelectric Materials and Devices Research

LI Chao1,2,MIAO Lei1,LIU Cheng-yan1,YANG Heng-quan1,2,ZHOU Jian-hua1
(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China； 2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

In recent years,a large number of nanotechnologies are performed to design and fabricate silicon germanium thermoelectric materials and novel devices. Band engineering and scattering mechanism theories have been taken account to theoretical design new Si?Ge nanostructures,including nanowires,superlattice and quantum dot structure,with decreasing thermal conductivity and increasing power factor. Experimentally,various Si?Ge nanostructures have been produced with improved thermoelectric performance such as nano-bulk,thin films,and nanowires. New-design thermoelectric devices not only focus on manufacture technology but also on heat transfer and novel structures.

Si?Ge；thermoelectric materials；nanostructure；ZT

TK01；TB34

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.01.005

2095-560X（2015）01-0025-08

李 潮（1986-），男，碩士研究生，中國科學(xué)院廣州能源所，太陽能熱電系統(tǒng)研究，硅鍺薄膜熱電材料研究。

2014-05-07

2014-10-13

國家自然科學(xué)基金（51172234）；廣東省產(chǎn)學(xué)研項目（2012B091000165）

? 通信作者：苗 蕾，E-mail：miaolei@ms.giec.ac.cn

苗 蕾（1972-），女，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院“百人計劃”引進(jìn)國外杰出人才、中科院廣州能源研究所熱電轉(zhuǎn)換材料與器件團(tuán)隊負(fù)責(zé)人、兼日本精細(xì)陶瓷研究中心材料技術(shù)研究所客座研究員，現(xiàn)在主要從事熱電轉(zhuǎn)換材料和節(jié)能方面的研究與開發(fā)工作。