热电材料与器件 9787030564344 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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陈立东，刘睿恒，史迅 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030564344

商品编码：29031777817

包装：平脊精装

出版时间：2018-05-01

基本信息

书名:热电材料与器件

定价：98.00元

售价：66.6元,便宜31.4元,折扣67

作者:陈立东,刘睿恒,史迅

出版社：科学出版社

出版日期：2018-05-01

ISBN：9787030564344

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版次：31

装帧：平脊精装

开本：

商品重量：0.4kg

编辑推荐

内容提要

本书比较全面地梳理和总结了热电材料与器件研究领域的基础理论和新的发现，同时基于作者过去20余年从事热电材料研究所积累的创新科研成果，并结合外该领域的研究进展和相关理论，系统阐述了热电材料的多尺度结构设计与性能调控策略，总结了器件设计集成与应用技术的**研究成果。本书特别注重基本物理效应与高性能热电材料设计合成的融合，并且对该领域的未来发展和挑战提出了作者的基本思考，利于启发读者的创新思维。

目录

作者介绍

文摘

序言

量子限域效应与低维纳米材料的电子热电性能调控 前言 在能源日益紧张、环境问题日益突出的今天，高效、绿色、可持续的能源利用技术已成为全球关注的焦点。热电材料作为一种能够直接将热能与电能相互转换的特殊材料，在余热回收、温差发电、固态制冷等领域展现出巨大的应用潜力，被誉为“21世纪的明星材料”之一。然而，传统块体热电材料的能量转换效率普遍较低，限制了其大规模实际应用。近年来，随着纳米科学与技术的飞速发展，科学家们开始将目光投向了微观世界，探索如何通过尺寸效应、界面效应和量子限域效应来优化热电材料的性能。 本书深入探讨了量子限域效应在低维纳米材料（如纳米线、量子点、超晶格等）中如何显著影响其电子和热输运性质，并在此基础上提出了调控策略，以期大幅提升材料的能量转换效率。我们将从基本理论出发，逐步深入到材料设计、制备、表征和性能优化等多个层面，为相关领域的研究者和工程师提供全面的理论指导和技术参考。 第一章：热电效应基础与能量转换效率 本章将系统回顾热电效应的基本原理，包括塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应。我们将详细阐述热电材料的性能指标，核心在于无量纲优值ZT，即ZT = (S²σT)/κ，其中S为塞贝克系数，σ为电导率，T为绝对温度，κ为热导率。ZT值越高，材料的能量转换效率越高。 我们将深入分析ZT值影响因素： 塞贝克系数(S)：表征材料将温差转化为电压的能力。通常，具有窄能带宽度和高电子密度梯度的半导体材料具有较大的塞贝克系数。 电导率(σ)：衡量材料导电能力。高电导率意味着电子能够有效地传输电荷，从而产生较大的电流。 热导率(κ)：反映材料传导热量的能力。低热导率是获得高ZT值的关键，因为它可以有效减小温差，维持温差发电所需的温度梯度。热导率又分为电子热导率(κe)和晶格热导率(κL)。 我们还将讨论提高ZT值面临的固有矛盾：通常情况下，高电导率和高塞贝克系数往往伴随着高热导率，这使得在传统块体材料中同时优化这三个参数变得十分困难。 第二章：量子限域效应的引入与低维纳米结构 本章将聚焦于量子限域效应，它是理解低维纳米材料热电性能调控的关键。我们将从以下几个方面进行阐述： 量子限域效应的起源：当材料尺寸减小到一定程度（通常在纳米尺度），其内部载流子的运动受到空间限制，其能量不再是连续的，而是分立的能级。这种量子化效应深刻地改变了材料的电子结构。 不同低维纳米结构对量子限域效应的影响： 量子阱（Quantum Wells, QWs）：在二维空间受限，载流子的能量在受限方向上量子化，而在另外两个自由方向上仍近似连续。 量子线（Quantum Wires, QWs）：在一维空间受限，载流子的能量在两个受限方向上量子化，只有一个自由方向。 量子点（Quantum Dots, QDs）：在三维空间受限，载流子的能量在所有三个方向上均量子化，形成离散的原子能级。 电子结构的变化：量子限域效应会导致能带结构发生显著变化，例如能带展宽、费米能级附近态密度(DOS)的尖峰化等。这些变化直接影响了材料的电学输运性质，特别是塞贝克系数和电导率。 载流子输运的改变：量子限域效应会改变载流子的散射机制，例如由于边界散射和表面态的影响，载流子的平均自由程可能发生改变。 第三章：低维纳米材料电子性能的量子调控 本章将详细探讨如何利用量子限域效应来优化低维纳米材料的电子性能，即提高塞贝克系数和电导率。 态密度工程：量子限域效应会在费米能级附近产生尖锐的态密度峰。通过精细调控纳米结构的尺寸、形状和组分，可以将费米能级精确地定位在这些峰上，从而显著提高载流子的塞贝克系数，而对电导率的影响相对较小。我们将讨论如何通过模型和模拟来预测和设计最优的态密度分布。 载流子浓度优化：通过掺杂、表面修饰或构建异质结构等方法，可以精确调控低维纳米材料的载流子浓度。结合量子限域效应，可以在保持较高塞贝克系数的同时，优化电导率，避免载流子浓度的过高或过低导致的性能下降。 量子干涉效应与电导率：在某些低维纳米结构中，载流子的相干传输可能会受到量子干涉效应的影响，从而对电导率产生调制。研究人员正在探索如何利用这些效应来提升载流子的传输效率。 表面态的影响：纳米材料的表面积体积比极高，表面态对载流子的输运起着至关重要的作用。我们将讨论如何通过表面钝化、官能团修饰等手段来减少表面散射，提高载流子迁移率。 第四章：低维纳米材料热输运的量子调控 本章将着重分析量子限域效应对低维纳米材料热导率的影响，特别是晶格热导率的降低。 声子与电子的解耦：在纳米结构中，声子（晶格振动）的输运与电子的输运在一定程度上可以实现解耦。例如，通过引入纳米结构界面，可以有效散射声子，而对电子的散射影响较小。 边界散射效应：当材料尺寸减小到纳米尺度时，声子在边界上的散射变得非常显著，其平均自由程可能远小于纳米结构的尺寸。这将导致晶格热导率大幅下降。我们将讨论不同尺寸和形貌的纳米结构对边界散射强度的影响。 界面散射效应：构建多层超晶格结构，利用不同材料层之间的界面可以有效地散射和阻挡声子。界面密度越高，声子散射越强，晶格热导率越低。我们将分析超晶格层厚、周期和材料匹配度等因素对声子输运的影响。 量子尺寸效应与声子谱：在量子限域尺度下，声子谱也会发生量子化。这可能会改变声子的激发和传播方式，从而影响晶格热导率。 电子热导率的调控：虽然量子限域效应主要影响晶格热导率，但它也会间接影响电子热导率。例如，态密度的变化可能会影响电子与声子的耦合强度。 第五章：低维纳米材料热电性能的协同优化策略 本章将整合前两章的理论，提出针对低维纳米材料热电性能的协同优化策略，以实现ZT值的最大化。 多尺度、多维度调控：结合材料的微观电子结构和宏观形貌，通过对尺寸、组分、晶界、界面和表面等进行多尺度、多维度的协同调控，实现电子和晶格输运性质的优化。 异质结构的设计与构建：通过设计和制备由不同热电材料、甚至不同物性材料（如半导体与绝缘体）组成的异质结构（如纳米复合材料、多层薄膜、核壳结构等），利用界面效应有效散射声子，同时优化电子输运。 复合材料的设计：将具有优良热电性能的纳米材料与其他材料（如具有良好导电性的碳纳米管、石墨烯等）复合，可以有效地提高整体材料的电导率，同时利用复合材料的界面调控声子输运。 材料选择与组分工程：选择合适的基体材料，并通过掺杂、合金化等手段调控其电子结构和声子特性，以与纳米结构的量子限域效应产生协同效应。 制备工艺的优化：探索高效、可控的纳米材料制备方法，如化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、水热法、溶胶-凝胶法等，以精确控制纳米结构的尺寸、形貌和组成。 第六章：低维纳米材料热电器件的设计与应用 本章将从材料到器件，探讨低维纳米材料热电材料在实际应用中的挑战与机遇。 热电器件的结构设计：介绍不同类型的热电器件，如温差发电机、制冷器、热电器件阵列等，以及如何根据低维纳米材料的特性对其结构进行优化。 界面工程在器件中的重要性：器件性能很大程度上取决于材料之间的界面接触电阻。我们将讨论如何通过优化电极与热电材料之间的界面，减小接触电阻，提高功率输出。 器件封装与可靠性：探讨器件在实际工作环境中的封装技术，以及如何提高器件的长期稳定性和可靠性。 应用实例与未来展望：展望低维纳米材料热电材料在各个领域的应用前景，如汽车尾气余热回收、可穿戴电子设备、生物医学应用、空间能源等。 结论 本书系统地阐述了量子限域效应在低维纳米材料热电性能调控中的关键作用，并提出了多种协同优化策略。通过深入理解和巧妙利用量子限域效应，我们有望突破传统块体材料的性能瓶颈，设计出高效、低成本的热电材料，为解决能源危机、实现可持续发展提供重要的技术支撑。本书旨在激发更多研究者在这一前沿领域进行探索，为推动热电技术的发展贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计给人一种沉静而专业的印象，那种低饱和度的色彩，配上简洁的字体，散发着一种学术的严谨感。当我翻开第一页，首先映入眼帘的是扉页上的那句题词，虽然我无法细读其中内容，但从这一个小小的细节，就能感受到作者对学术的敬畏之心。在阅读过程中，我被书中精美的插图和详实的图表深深吸引。例如，有一个章节详细介绍了不同晶体结构的形成原理，书中配以精美的三维分子模型图，每一个原子，每一个键都清晰可见，让我这个非专业人士也能大致理解其微观世界的奥秘。作者在阐述热电效应的物理机制时，用了大量形象的比喻，比如将载流子在材料中的运动比作“能量的河流”，将材料的导热性比作“热量的传导通道”，这些生动形象的比喻，让我能够轻松地理解那些原本可能晦涩难懂的物理概念。我尤其对书中关于材料性能参数的分析部分印象深刻，作者列举了多种关键的性能指标，并通过大量的实验数据来佐证这些指标的重要性。他详细地解释了如何通过调整材料的成分、结构以及制备工艺来优化这些性能参数，让我对材料的设计和制备过程有了初步的了解。其中，关于热电优值（ZT值）的深入剖析，让我认识到它是衡量热电材料性能的一个核心指标，而如何提高ZT值，也成为了研究者们孜孜不倦追求的目标。书中的案例研究部分更是让我受益匪浅，作者选取了多个具有代表性的应用场景，例如，利用太阳能发电的热电模块，以及在极端环境下工作的热电制冷器件。通过对这些案例的深入分析，我能够更加清晰地认识到热电材料在现实世界中的实际应用价值，以及它为解决能源和环境问题所带来的巨大潜力。

评分☆☆☆☆☆

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评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计，给我一种非常专业且具有科技感的视觉冲击，深邃的蓝色调，辅以银色的文字，仿佛置身于一个浩瀚的科学宇宙。我不是该领域的专家，但一直对能源技术的发展抱有极大的热情，尤其是那些能够带来绿色革新的技术。当我翻阅这本书时，我被其中大量精美的插图和图表深深吸引。作者在解释热电效应的物理原理时，并没有使用过于复杂的数学公式，而是通过生动的示意图来展现载流子在材料中的运动轨迹，以及能量的传递过程。例如，书中用生动的比喻，将热量比作“奔腾的河流”，而将热电材料比作“能够引导河流方向的精巧水渠”，通过这种方式，让我能够轻松地理解热电转换的基本概念。我尤其对书中关于热电材料的性能评估和优化方法的部分印象深刻。作者详细介绍了各种关键的性能参数，如电导率、塞贝克系数、热导率等，并阐述了如何通过改变材料的成分、结构以及制备工艺来提高这些参数的数值，进而提升整体的热电转换效率。书中列举了大量的实验数据和对比图，让我能够直观地看到不同优化策略所带来的效果。我最感兴趣的是书中所介绍的关于热电材料在废热回收领域的应用。作者详细描述了如何利用工业生产过程中产生的废热，通过热电模块转化为电能，这不仅能够提高能源利用率，还能减少碳排放，对环境保护具有重要的意义。这本书就像一本引人入胜的科学科普读物，让我能够轻松地学习到前沿的能源技术知识，并对其未来的发展充满了期待。

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这本书的封面设计，有一种沉静而内敛的学术美感，柔和的色彩搭配，以及清晰的字体，都让人感受到一种严谨而专业的学术氛围。我并非是专门从事热电材料研究的学者，但对科学技术的发展一直怀有浓厚的兴趣，尤其是一些能够解决实际问题的尖端技术。当我翻开这本书，我首先被书中精美的图例和数据图表所吸引。作者并没有直接跳入晦涩的理论，而是先通过一些直观的图示，来展示热电材料的宏观特性和一些基本原理。例如，在一个关于热电能量转换效率的章节，书中用曲线图清晰地描绘了不同材料在不同温度下的效率变化，并用简洁的文字解释了这些变化的原因。这种图文并茂的呈现方式，让我能够快速抓住核心信息，并对其科学性产生信心。我尤其欣赏的是书中对热电材料制备工艺的详细介绍。作者并没有仅仅停留在理论层面，而是详细阐述了各种制备方法的优缺点，以及如何通过优化制备工艺来改善材料的性能。他用了大量的示意图来展示不同的制备过程，例如粉末冶金法、化学气相沉积法等，让我能够直观地了解这些工艺的复杂性和精妙之处。书中对热电材料在各个领域的应用案例的分析，更是让我大开眼界。例如，在太空探索领域，热电发电机是如何为深空探测器提供稳定电源的，以及在医疗领域，热电制冷技术是如何用于精准控温的。这些实际的应用场景，让我能够更深刻地体会到热电材料的价值和潜力。这本书为我打开了一扇了解前沿科技的大门，让我对其产生了浓厚的兴趣和进一步探索的愿望。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书封设计，给我留下了一种深邃而充满探索感的印象，那种深邃的蓝色调，仿佛蕴含着宇宙的奥秘，而金色的标题则如同一盏指引方向的灯塔。我并没有深入研究书中的具体公式和理论推导，但从其章节的划分和标题的设置，我能感受到其内容的系统性和全面性。作者在引言部分，用一种非常引人入胜的叙述方式，阐述了热电效应的发现历史，以及科学家们在探索这个领域的艰辛历程。这种叙述方式，让我仿佛置身于那个充满求知欲的时代，感受到了科学探索的魅力。我尤其对书中关于材料微观结构与宏观性能之间关系的阐释感到着迷。作者通过大量的示意图，展示了不同晶体结构对电子和声子传输的影响，让我能够直观地理解，为什么有些材料具有优异的热电性能，而另一些则不然。他用“能量的搬运工”来比喻载流子，用“热量的阻碍者”来形容材料的晶格，这种生动形象的语言，让我在阅读过程中丝毫不会感到枯燥。书中的实验数据和图表，虽然我无法一一细读，但其清晰的标注和直观的展示方式，让我能够大致领略到研究者们是如何通过实验来验证理论，并不断优化材料性能的。我特别关注了书中关于热电材料在可再生能源领域的应用部分，作者详细介绍了利用太阳能发电的热电模块，以及其在偏远地区供电方面的潜力。想象一下，在阳光充足的地方，通过这种技术，我们就能源源不断地获得清洁能源，这无疑是对解决全球能源危机的一大贡献。这本书就像一扇窗户，让我得以窥见热电材料这个充满活力的研究领域，并对其未来的发展充满了期待。

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评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计，传递出一种严谨而又充满科技感的氛围，深邃的蓝色背景，搭配上银色的字体，给人一种专业而又神秘的感觉。当我翻阅这本书的时候，我并没有去深究那些复杂的物理公式和推导过程，而是更侧重于理解其整体的脉络和所涵盖的知识领域。作者在开篇部分，用一种娓娓道来的方式，介绍了热电效应的历史渊源，以及它是如何在科学界逐渐受到重视的。这种叙述方式，让我能够体会到科学家们探索未知世界的严谨态度和不懈追求。我尤其对书中关于不同热电材料特性对比的章节印象深刻。书中用表格和图表的形式，清晰地展示了各种材料在电导率、塞贝克系数、热导率等关键参数上的表现，并对它们各自的优缺点进行了详细的分析。虽然我无法理解所有的数据细节，但这种直观的对比，让我能够迅速了解不同材料的应用潜力。我印象深刻的是，作者在解释材料的微观结构如何影响其宏观性能时，使用了大量的示意图和模型。例如，他用一个生动的比喻，将材料的晶格振动比作“能量的扩散”，而将载流子的运动比作“能量的流动”，通过这种方式，让我能够更容易地理解热电转换的物理机制。书中的案例分析部分，更是让我领略到热电材料的实际应用价值。作者详细介绍了利用热电效应实现固态制冷的技术，以及它在环保和节能方面的巨大潜力。想象一下，在炎热的夏天，我们能够通过这种技术，实现无噪音、无污染的制冷，这无疑是科技进步带来的福音。这本书就像一位循循善诱的老师，将复杂的前沿科技，以一种易于理解的方式呈现给我，让我对其产生了浓厚的兴趣。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计无疑是其吸引力的一部分，书脊的设计简洁而有力，散发着一种沉稳的学术气息。当我拿到它时，首先感受到的是纸张的质感，不是那种廉价的光面纸，而是略带哑光的环保纸，触感舒适，印刷清晰，文字的排版也很规整，让人阅读起来非常舒服。我尤其喜欢的是书中大量的插图和图示，它们的设计非常精美，线条流畅，色彩搭配得当，能够非常直观地展现出复杂的概念和原理。比如，在一个讲解晶体结构的部分，书中用三维模型图清晰地展示了不同晶体结构的排列方式，并配以文字说明，让我这个对外行来说，能够迅速理解不同结构对材料性能的影响。作者在阐述一些物理现象时，会引用大量的实验数据和图表，这些图表并非是枯燥的数字堆砌，而是经过精心设计，能够突出关键信息，并展现出数据之间的关联性。例如，在分析材料的电导率随温度变化时，作者会呈现出不同掺杂浓度下的多条曲线，并通过对比这些曲线，来解释掺杂对电导率的影响机制。这种严谨而又清晰的呈现方式，让我能够对其科学性深信不疑。我特别欣赏的是书中的案例分析部分，作者并没有仅仅停留在理论层面，而是将理论知识与实际应用紧密结合。他详细介绍了热电材料在太空探测器、便携式电源、甚至是一些高端音响设备中的应用，并分析了在不同应用场景下，对材料性能的要求以及实现这些性能所遇到的技术难题。其中，对于太空探索中温差发电的应用描述，更是让我联想到科幻电影中的场景，不禁感慨科技的进步能够如此强大。阅读这本书，感觉就像在与一位经验丰富的科学家进行对话，他循循善诱，将深奥的理论化繁为简，让我能够逐步领略到科学的魅力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就足够吸引人，那种沉静的蓝色调，搭配上金色或银色的文字，营造出一种专业而又充满探索感的氛围。我第一次看到它的时候，就被深深地吸引住了。虽然我并不是一个专业的科研人员，但对科学技术的发展一直保持着浓厚的兴趣。当我翻开这本书，首先映入眼帘的是序言部分，作者用一种非常恳切的语气，阐述了撰写此书的初衷，以及热电材料在当今能源危机和环境保护日益严峻的背景下所展现出的巨大潜力和应用前景。他提到，希望通过这本书，能够将复杂的科学概念以一种更易于理解的方式呈现给读者，让更多人能够认识到热电效应的神奇之处，以及它在未来能源领域扮演的重要角色。我非常欣赏这种分享知识的姿态，让原本可能高高在上的科学技术，变得触手可及。接着，我对其中一个章节的图表印象非常深刻，它用非常直观的方式展示了不同热电材料的性能参数，并用曲线图描绘了它们在不同温度下的行为变化。这种可视化处理，即使对于非专业人士来说，也能很快抓住核心信息，理解材料的优劣之处。作者在解释这些图表时，并没有使用过于晦涩的术语，而是通过类比和生动地比喻，将抽象的物理概念具象化。例如，他用“能量的河流”来比喻载流子在材料中的运动，用“热量的屏障”来形容材料的导热性能，这种形象的比喻方式，让我在阅读过程中丝毫不会感到枯燥乏味，反而能激发我进一步探索的兴趣。书中的案例分析部分更是让我大开眼界，作者列举了多个实际应用案例，比如废热发电、固态制冷等，并详细分析了这些应用背后的热电原理和技术挑战。我尤其对其中一个关于汽车尾气余热回收利用的案例产生了浓厚的兴趣，想象一下，通过这种技术，我们能够将本来要白白浪费掉的热能转化为电能，不仅能提高燃油效率，还能减少有害气体的排放，这无疑是对环境保护的一大贡献。这本书不仅仅是知识的堆砌，更像是一次引人入胜的科学探险，让我对热电材料这个领域有了全新的认识和理解。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计，给我一种沉稳而又充满学术底蕴的感觉，低饱和度的蓝色，搭配上简洁的白色字体，散发出一种严谨而又不失美感的学术气息。我不是该领域的专业研究者，但对那些能够为人类社会带来福祉的科技发展一直保持着浓厚的兴趣。当我翻阅这本书，我被书中精美的插图和详实的图表所深深吸引。作者在阐述热电效应的物理原理时，并没有使用过于晦涩的语言，而是通过形象的比喻和生动的示意图，将复杂的概念具象化。例如，他用“能量的搬运工”来比喻载流子，用“热量的屏障”来形容材料的晶格，这种生动形象的比喻，让我能够轻松地理解那些原本可能晦涩难懂的物理概念。我尤其对书中关于不同热电材料的性能评估和优化方法的部分印象深刻。作者详细列举了多种关键的性能指标，并通过大量的实验数据来佐证这些指标的重要性。他详细地解释了如何通过调整材料的成分、结构以及制备工艺来优化这些性能参数，让我对材料的设计和制备过程有了初步的了解。书中对热电材料在各个领域的应用案例的深入分析，更是让我大开眼界。例如，在固态制冷方面，热电制冷器是如何实现无噪音、无污染的制冷效果的，以及在太空探索领域，热电发电机是如何为深空探测器提供稳定电源的。这些实际的应用场景，让我能够更深刻地体会到热电材料的价值和潜力。这本书为我提供了一个了解前沿科学技术的窗口，让我对其未来的发展充满了期待。