概述

塞贝克效应（Seebeck effect），指在两种不同导电材料构成的闭合回路中，当两个接点温度不同时，回路中产生的电势使热能转变为电能的一种现象。

原理

产生塞贝克（Seebeck）效应的机理，对于半导体和金属是不相同的。

半导体效应

产生Seebeck效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。例如p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷，即热端有负电荷，冷端有正电荷，同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势—温差电动势。自然，n型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端（Seebeck系数为负），相反，p型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端（Seebeck系数为正），因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。

可见，在有温度差的半导体中，存在电场。此时半导体的能带是倾斜的，并且其中的费米能级也是倾斜的；两端费米能级的差就等于温差电动势。

实际上，影响Seebeck效应的因素还有两个：

第一个是载流子的能量和速度。因为热端和冷端的载流子能量不同，这实际上就反映了半导体费米能级在两端存在差异，因此这种作用也会对温差电动势造成影响—增强Seebeck效应。

第二个是声子。因为热端的声子数多于冷端，则声子也将要从高温端向低温端扩散，并在扩散过程中可与载流子碰撞、把能量传递给载流子，从而加速了载流子的运动—声子牵引，这种作用会增加载流子在冷端的积累、增强Seebeck效应。

半导体的Seebec效应较显著。一般，半导体的Seebeck系数为数百μV/K，这要比金属的高得多。

金属效应

金属的载流子浓度和Fermi能级的位置基本上都不随温度而变化，所以金属的Seebeck效应必然很小，一般Seebeck系数为0～10μV/K。

一般金属的Seebeck效应很小，但是在一定条件下还是可观的；实际上，利用金属Seebeck效应来检测高温的金属热电偶就是一种常用的元件。

产生金属Seebeck效应的机理较为复杂，可从两个方面来分析。

1）电子从热端向冷端的扩散

这里的扩散不是浓度梯度所引起的，因为金属中的电子浓度与温度无关，而是热端的电子具有更高的能量和速度所造成的。显然，如果这种作用是主要的，则这样产生的Seebeck效应的系数应该为负。

2）电子自由程的影响

金属中虽然存在许多自由电子，但对导电有贡献的却主要是费米能级附近2kT范围内的所谓传导电子。而这些电子的平均自由程与遭受声子散射、杂质和缺陷散射等散射状况和能态密度随能量的变化情况有关。

如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而增大的话，那么热端的电子将由于一方******有较大的能量，另一方面又具有较大的平均自由程，则热端电子向冷端的输运则是主要的过程，从而将产生Seebeck系数为负的Seebeck效应；金属Al、Mg、Pd、Pt等皆如此。

相反，如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而减小的话，那么热端的电子虽然具有较大的能量，但是它们的平均自由程却很小，因此电子的输运将主要是从冷端向热端的输运，从而将产生Seebeck系数为正的Seebeck效应；金属Cu、Au、Li等即如此。塞贝克效应电势差的计算公式：

式中，SA与SB分别为两种材料的塞贝克系数。如果SA与SB不随温度的变化而变化，上式即可表示成如下形式：

塞贝克后来还对一些金属材料做出了测量，并对35种金属排成一个序列：Bi-Ni-Co-Pd-U-Cu-Mn-Ti-Hg-Pb-Sn-Cr-Mo-Rb-Ir-Au-Ag-Zn-W-Cd-Fe-As-Sb-Te-……他指出，当序列中的任意两种金属构成闭合回路时，电流将从排序较前的金属经热接头流向排序较后的金属。

应用

热电材料

1.华东师范大学通信与电子工程学院吴幸教授课题组在npj Flexible Electronics上发表了题为“Facile fabrication of paper-based flexible thermoelectric generator”的研究文章，通过简便的真空抽滤法制备了柔性的纸基热传导发电机（PTG）。发电机在温差50 K的条件下能产生41.2 mV的开路电压，并且能被用做热敏传感器。

研究发现PTG的开路电压(open-circuit voltage)与热电材料的质量(37%, 59%, 70%)、温差(5-50 K)、P-N模块的数量(1-3)均呈现线性关系，开路电压最大可达41.2 mV；同时PTG的塞贝克系数(Seebeck coefficient)可达142 μV K−1，明显优于同类型的柔性热传导发电机。稳定性测试发现，PTG可以承受多达400次的反复弯曲(弯曲角度103°)，性能参数的变化均在10%以下。作者将PTG戴在手腕上实测显示，仅依靠身体与环境之间5-6 K的温差便能产生2.38 mV的开路电压。

2.目前热电材料面对的主要问题为热电转换效率低，通常将无量纲热电优值(ZT)作为评价能量转换效率的指标，通过调控热电材料的电热输运性能实现高电导和塞贝克系数，同时降低热导率是提高ZT值的关键。CoSb3材料由于其合适的带隙，高稳定性和环保特性，在热电薄膜领域得到了广泛关注；但CoSb3材料的高热导率导致ZT值低，限制其应用。尤其是n型CoSb3热电材料发展较为缓慢，其性能普遍低于p型热电材料，实现高性能n型CoSb3基热电薄膜材料仍面临巨大挑战。

深圳大学范平课题组与南昆士兰大学陈志刚课题组合作，采用在In层上生长Ag掺杂CoSb3薄膜的方法，调控材料的电热输运性能。

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