材料物理性能課程中熱電性教學(xué)設(shè)計

鄭贛鴻 何剛 戴振翔 丁宗玲 闞緒材 馬永青

摘? 要：熱電性能是材料物理性能課程中非常重要的一節(jié)，在許多材料物理性能的書籍中都有這一部分內(nèi)容。文章針對材料物理性能課程中的熱電性課程進行教學(xué)設(shè)計，首選對教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生特點進行分析，并指定教學(xué)目標(biāo)。根據(jù)教學(xué)目標(biāo)對教學(xué)內(nèi)容做時間的分配，制訂教學(xué)的流程和方法。通過教學(xué)流程中的看現(xiàn)象、辨本質(zhì)、探性能以及微課題四個環(huán)節(jié)進行課程設(shè)計。最后對本次課程教學(xué)進行總結(jié)、反思。

關(guān)鍵詞：材料的熱電性能;課程設(shè)計;熱電性能

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）19-0078-04

Abstract： Thermoelectric Performance is a very important section in the course of Physical Properties of Materials， which is included in many books about physical properties of materials. In this paper， the teaching design of thermoelectricity course in the course of Physical Properties of Materials is carried out. At first， we analyze the teaching content and students' characteristics， and specify the teaching objectives. According to the teaching objectives， the teaching content is allocated time， and the teaching process and methods are formulated. The course is designed through four links in the teaching process： watching phenomenon， distinguishing essence， exploring performance and setting micro topic. Finally， the teaching of this course is summarized and reflected.

Keywords： Material Physical Properties; teaching design; thermoelectric performance

一、教學(xué)內(nèi)容的特點

熱電性是材料物理性能課程中重要的一節(jié)。材料的熱電性能在日常生活、工程技術(shù)等領(lǐng)域有著非常廣泛的實際應(yīng)用。比如用來測試溫度的熱電偶，就是根據(jù)Seebeck發(fā)現(xiàn)的熱電效應(yīng)制造的。利用熱電效應(yīng)制備的熱電材料是一種能實現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料，采用熱電材料制備的器件具有無噪音、無污染、無機械振動等優(yōu)點，在溫差發(fā)電和便攜式制冷等領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。

我們采用的是田蒔主編的《材料物理性能》教材。本節(jié)內(nèi)容主要分三個部分，熱電效應(yīng)、絕對熱電勢系數(shù)和及熱電性的應(yīng)用及其熱電材料。因此，我們首先和學(xué)生講解熱電的三大效應(yīng)，包括塞貝克效應(yīng)、珀耳帖效應(yīng)以及湯姆遜效應(yīng)，學(xué)生要學(xué)會理解并能闡述三大效應(yīng)。接著給學(xué)生講解描述熱電勢的Seebeck系數(shù)S與溫度、載流子等關(guān)系，并且引入功能因子以及描述熱電性能優(yōu)劣的ZT值。最后一部分講述熱電材料的應(yīng)用，比如熱電偶材料以及熱電轉(zhuǎn)換材料。

二、學(xué)生的特征

材料物理性能課程的教學(xué)對象是材料科學(xué)與工程學(xué)院本科三年級的學(xué)生。他們在開設(shè)本課程之前已經(jīng)系統(tǒng)學(xué)過了大學(xué)物理、量子力學(xué)、固體物理等課程，有較好的學(xué)科基礎(chǔ)。因此，熱電部分理論的學(xué)習(xí)對于同學(xué)們來說沒有任何的問題。然而，由于學(xué)生是第一次接觸材料的熱電性能和熱電材料這方面的內(nèi)容，因而需要通過查閱文獻、閱讀文獻了解目前熱電材料研究的進展情況[1]。

三、教學(xué)目標(biāo)

材料物理性能課程設(shè)置的目標(biāo)包括以下三個方面[2-3]。

（1）知識掌握目標(biāo)：掌握熱電的三大效應(yīng)，能闡述三者的概念以及區(qū)別;掌握熱電制冷原理和溫差發(fā)電原理，材料熱電材料的靈敏值及其影響因素。

（2）能力培養(yǎng)目標(biāo)：會利用熱電性能的影響因素分析熱電偶材料以及溫差發(fā)電的熱電材料;通過開放式作業(yè)培養(yǎng)學(xué)生從實際出發(fā)提出問題、分析問題和解決問題的能力。

（3）課程思政目標(biāo)：通過將本節(jié)課的基本理論知識應(yīng)用于實際應(yīng)用的過程，感悟物理性能課程的研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識。

四、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)時間分配

五、教學(xué)流程與方法

（一）看現(xiàn)象

通過看現(xiàn)象，引入思考。圖1（a）是我們實驗室經(jīng)常用的高溫爐，如何測試爐體溫度？圖1（b）是玉兔二號月球車，沒有太陽的月夜，玉兔二號月球車哪里來的供電？

接著講解熱電的三大效應(yīng)，即塞貝克效應(yīng)、珀耳帖效應(yīng)以及湯姆遜效應(yīng)。其中，塞貝克效應(yīng)指的是1821德國科學(xué)家塞貝克將Cu和Bi金屬聯(lián)成一個回路，保持兩個接口處有溫度差，發(fā)現(xiàn)放在附近的指南針轉(zhuǎn)動，后來人們發(fā)現(xiàn)將兩種不同金屬ab組成回路，接觸處溫度不同，則在回路中存在電動勢。珀耳帖效應(yīng)指的是1834年法國珀耳帖將Sb和Bi金屬聯(lián)成一個回路，并通以電流發(fā)現(xiàn)接口處有吸熱或者放熱。即當(dāng)有電流通過不同的導(dǎo)體ab組成的回路時，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，在不同導(dǎo)體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。湯姆遜效應(yīng)指的是當(dāng)電流在溫度梯度的導(dǎo)體中流過時，導(dǎo)體除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量。或者反過來，當(dāng)一根金屬棒的兩端溫度不同時，金屬棒兩端會形成電勢差。并且將三者進行比較、總結(jié)。614304DE-6094-4355-AE27-CC9F428BDFB9

（二）辨本質(zhì)

圖2（a）是Seebeck效應(yīng)本質(zhì)示意圖：假如一根金屬或半導(dǎo)體材料的兩端保持溫度差，那么熱端載流子將趨于向冷端運動。假如載流子是電子，那么當(dāng)它們離開熱端而運動到冷端，就使得冷端電子數(shù)增多，變成負(fù)的，從而產(chǎn)生一個自建電場，以阻止載流子繼續(xù)從熱端向冷端進一步擴散。當(dāng)這一過程最終趨于平衡時，導(dǎo)體內(nèi)側(cè)不再有電荷的定向移動，此時導(dǎo)體兩端也就產(chǎn)生出一個與之相關(guān)的電動勢即塞貝克電勢。

圖2（b）是Petlier效應(yīng)本質(zhì)示意圖：位于節(jié)點兩邊材料中載流子濃度與Fermi能級不一樣，當(dāng)電流通過節(jié)點時，為了維持能量和電荷守恒，必須與環(huán)境交換能量。從而在宏觀上產(chǎn)生結(jié)合界面附近的吸熱或放熱現(xiàn)象。

（三）探性能

材料的熱電性能與哪些因素有關(guān)？如何提高材料的熱電性能？通過制作PPT、思維導(dǎo)圖引導(dǎo)學(xué)生深入分析（圖3、圖4）。

人們用ZT值代表表征材料熱電性能的優(yōu)劣?？梢钥闯觯琙T的值受到材料Seebeck系數(shù)、材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的影響。即Seebeck系數(shù)大，電導(dǎo)率高，熱導(dǎo)率低的材料ZT大，熱電性能好?？梢姡@和晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分及能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。具體來說，比如要降低材料的熱導(dǎo)率，由于材料的熱導(dǎo)率主要包括聲子熱導(dǎo)率，電子熱導(dǎo)率和光子熱導(dǎo)率。對于半導(dǎo)體材料來說，在非高溫區(qū)，體系的熱導(dǎo)率主要是由聲子熱導(dǎo)率來決定的。因此，為了降低材料的熱導(dǎo)率，可以形成固熔體結(jié)構(gòu)，通過點陣缺陷提高聲子散射幾率;通過熱電材料中晶體結(jié)構(gòu)中的孔隙位置填入雜質(zhì)原子;通過細(xì)化晶粒增加晶界散射降低熱導(dǎo)率;低維化利用納米量子點增加熱傳導(dǎo)聲子散射。

理想的熱電材料是一種電子晶體和聲子玻璃的結(jié)合體（圖5）。Slack提出電子晶體聲子玻璃的假設(shè)，并認(rèn)為最大的熱電優(yōu)值約等于4。

（四）微課題

講解熱電材料的發(fā)展歷史，以及目前的科研進展，并布置相應(yīng)的微課題供學(xué)生選擇開展，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神以及創(chuàng)新意識。

微課題1：方鈷礦CoSb3熱電性能

1957年， Dudkin等人發(fā)現(xiàn)CoSb3具有很高的塞貝克系數(shù)，但是問題是熱導(dǎo)率很高， ZT=0.11。1995年，Moreli等人發(fā)現(xiàn)，在晶胞的空隙中填入直徑較大的稀土原子，會形成電子晶體-聲子玻璃，在塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率維持較高的水平情況下，其熱導(dǎo)率大幅度降低，從而ZT值大大提高。1996年，Sales 在Science上發(fā)表了有關(guān)填隙方鈷礦LaFeCoSb12和CeFeCoSb12熱電性能的研究， ZT值達到了1.0。要想提高方鈷礦CoSb3熱電性能， 除了摻雜稀土元素，你還可以摻雜哪些元素？為什么要摻雜這些元素？并寫出具體的實驗方案。

微課題2：強磁場下熱電性能改善

美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家們找出了一條可以顯著提升熱電勢的途徑。在非常強的磁場作用下，產(chǎn)生了一種有趣的現(xiàn)象，在那里你可以讓電子和空穴朝著相反方向移動。電子朝著冷的一側(cè)，而空穴朝著熱的一側(cè)。它們在一起工作，原則上，你只要使磁場更強，就會讓同樣的材料產(chǎn)生越來越大的電壓。布置學(xué)生查閱文獻，調(diào)研強磁場下材料的熱電性能研究進展。

微課題3：高壓下體系的熱電性能

除了強磁場這個極端條件，對樣品施加高壓，體系的熱電性能會不會得到提高？同學(xué)們查閱文獻，展開討論。

六、教學(xué)反思

通過本次材料的熱電性課程的講解，總結(jié)出以下幾條經(jīng)驗做法。

（1）通過將物理知識與實際應(yīng)用材料性能相結(jié)合，讓學(xué)生體會研究材料物理知識學(xué)習(xí)的重要性。本次課開頭就以日常生活中熱電偶測試以及玉兔二號月球車的能量供給為例子作為引入，讓學(xué)生以更直觀的角度感受在研究材料的時候，物理知識學(xué)習(xí)的重要性，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的動力，激發(fā)學(xué)生的興趣。

（2）注重教學(xué)過程中的科學(xué)性和教學(xué)手段的多樣性。本次采用的是OBE的教學(xué)理念，通過看現(xiàn)象、辨本質(zhì)、探性能以及微課題四個環(huán)節(jié)進行課程設(shè)計，在講解的過程中，穿插提問和小組討論，避免學(xué)生上課發(fā)呆、走神等現(xiàn)象，提高學(xué)習(xí)效率。并且引用視頻、動畫將一些抽象、枯燥、難以理解的概念直觀顯示在學(xué)生面前，利用思維導(dǎo)圖的形式將各種概念進行聯(lián)系，方便學(xué)生記憶，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯推理能力。

七、結(jié)束語

材料物理性能課程是材料物理專業(yè)模板中一門必修的基礎(chǔ)課程。熱電性是材料物理性能課程中重要的一小節(jié)，這一小節(jié)也是材料的性能與物理知識緊密聯(lián)系的典型。該課程的基本概念、基本理論和基本方法構(gòu)成了材料專業(yè)科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，為學(xué)生后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下了必要的基礎(chǔ)，對于提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，以及解決實際問題的能力提供了很重要的方法。

參考文獻：

[1]李慧，吳世永，周鳴宇，等.《靜電場中的導(dǎo)體》教學(xué)設(shè)計[J].物理與工程，2021，31（3）：48-54.

[2]楊雷，袁雪芹，張甲甲，等.《材料物理性能》課程中“半導(dǎo)體材料”的教學(xué)設(shè)計[J].廣州化工，2019，47（9）：176-178.

[3]杜永.Seebeck效應(yīng)的教學(xué)體會[J].教育教學(xué)論壇，2017（14）：235-236.

基金項目：教育部2019年度國家級一流課程“高校發(fā)展專業(yè)課程專項——‘材料物理性能”（Z010112116）;安徽省省級精品線下開放課程“材料物理性能”（2019kfkc020）;安徽省省級雙基項目“省級教學(xué)示范課——材料物理性能”（Y010512024/039）;安徽省省級線下一流課程“材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算”（2020kfkc045）;安徽省省級線下一流課程“光學(xué)”（2020kfkc022）;安徽省省級教學(xué)研究項目“通過‘材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算課程的研究型教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力”（2020jyxm0082）、“‘點圓式工作法在材料物理專業(yè)課程改革和一流人才培養(yǎng)中的發(fā)展與應(yīng)用”（2019jyxm0066）

作者簡介：鄭贛鴻（1978-），女，漢族，江西上饒人，博士，教授，研究方向為材料物理。614304DE-6094-4355-AE27-CC9F428BDFB9