高效率熱電材料之研發動向
「熱電材料」為一種能將電能與熱能相互轉換的材料。學理上熱電效率以優質係數ZT表示，其關係式為：
ZT=S2σT/K
其中S為熱電動勢， σ為導電率，K為熱傳導率，T為溫度。

材料的熱電變換效率隨著ZT的增加而增加，ZT值越大，越是優良熱電材料，所以高效率熱電材料的主要訴求為尋求高ZT材料。依最近研究發現，有些奈米構迼之熱電材料，能有較高之熱電動勢S與優質係數ZT。近年來常用的手法如下：
一、Bulk材料之奈米構造化
基本上藉由奈米構造，生成許多奈米界面(異相界面)，助長Phonon散射，導致熱傳導率下降，而且有提升全體ZT的效果。例如Venkatasubramanian等人報告的Bi₂Te₃/Sb₂Te₃超晶格之ZT可達2.4(~2.4＠300K)，使得熱電材料之實用性綻露一線曙光，亦帶動全球研究熱電材料之熱潮。

Bi₂Te₃與Sb₂Te₃之間的Band offset小，無量子封入效果，導電率在與面平行、垂直方向改變不大。但在熱傳導率方面，與超晶格面垂直方向比平行方向低非常多，此垂直方向會帶來大的ZT值。

2004年，Kanatzidis等人利用PbTe-AgSbTe₂系材料Matrix中分散量子點，發現ZT值增大，導出了以奈米粒子化、奈米複合化的手法提升塊材性能的研發方向。頃近，在「Nano Particle-in-Alloy」的概念下，利用奈米分散粒子徹底提升ZT逐漸成為可能。以多成份系材料而言，利用共晶化、包晶化、Spinodal分解、離溶析出等的分相現象以形成奈米構造。

例如Pb_1-xSn_x Te-PbS系利用Spinodal分解形成奈米構造，實現ZT=1.5＠650k；Mg₂Si0 _4-x Sn_0.6Sb_x 形成Sb析出的奈米量子分散構造，對熱傳導率下降有很大貢獻，實現ZT=1.1＠700K。不論如何，奈米構造係在高溫且接近平衡狀態下形成，因此在高溫的應用，具有不會引起因構造變化產生劣化的價值。

另外，只將P-Bi_0.5Sb_1.5 Te₃多晶奈米粒子化的簡單方式，得到ZT=1.4＠400K。這是因為藉由奈米粒子化形成多數奈米粒界，助長了Phonon散亂，熱傳導率因而大幅下降，得到ZT上升的結果。載子(Carrier)(電洞)的平均自由行程比粒子大小還大，奈米粒界不會成為載子散亂中心而作用，因而可維持高導電性。

二、自然奈米構造化合物半導體
大阪大學針對自然界中存在的奈米結構物質，尤其是Ga₂Te₃與In₂Te₃進行研究。這些物質的基本結晶構造如圖三所示，為閃鋅鑛型構造，以分子式來看， Ga與Te的比為2：3，晶格點數為1：1，Ga側的1/3為空孔。大阪大學藉由控制結晶中多數存在的空孔份佈狀態，設法構建出具Nano Scale週期性空孔集合體。

大阪大學發現Ga₂Te₃一面具有非常單純的結晶構造，一面又顯示極低的熱傳導率。此種低熱導率起因於材料中自然形成的空孔，產生Phonon散亂的效果，因而確認Ga₂Te₃之類的物質應屬於具高性能熱電材料的資質。不過，另一方面，此材料的電阻高，欲當做熱電材料使用(目標ZT=1.5)，必須使載子濃度最適化，並在保持低熱傳導率之下，降低電阻率。圖四為 ---本文節錄自材料世界網「材料最前線」專欄，更多資料請見下方附檔

圖七、添加BaZrO₃的SCCO薄膜，其對各種熱電特性影響示意圖

作者：材網編輯室/工研院材化所
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