材料物理性能课程中热电性教学设计

郑赣鸿 何刚 戴振翔 丁宗玲 阚绪材 马永青

摘  要：热电性能是材料物理性能课程中非常重要的一节，在许多材料物理性能的书籍中都有这一部分内容。文章针对材料物理性能课程中的热电性课程进行教学设计，首选对教学内容和学生特点进行分析，并指定教学目标。根据教学目标对教学内容做时间的分配，制订教学的流程和方法。通过教学流程中的看现象、辨本质、探性能以及微课题四个环节进行课程设计。最后对本次课程教学进行总结、反思。

关键词：材料的热电性能;课程设计;热电性能

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：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、教学内容的特点

热电性是材料物理性能课程中重要的一节。材料的热电性能在日常生活、工程技术等领域有着非常广泛的实际应用。比如用来测试温度的热电偶，就是根据Seebeck发现的热电效应制造的。利用热电效应制备的热电材料是一种能实现热能和电能直接相互转换的功能材料，采用热电材料制备的器件具有无噪音、无污染、无机械振动等优点，在温差发电和便携式制冷等领域得到重要应用。

我们采用的是田莳主编的《材料物理性能》教材。本节内容主要分三个部分，热电效应、绝对热电势系数和及热电性的应用及其热电材料。因此，我们首先和学生讲解热电的三大效应，包括塞贝克效应、珀耳帖效应以及汤姆逊效应，学生要学会理解并能阐述三大效应。接着给学生讲解描述热电势的Seebeck系数S与温度、载流子等关系，并且引入功能因子以及描述热电性能优劣的ZT值。最后一部分讲述热电材料的应用，比如热电偶材料以及热电转换材料。

二、学生的特征

材料物理性能课程的教学对象是材料科学与工程学院本科三年级的学生。他们在开设本课程之前已经系统学过了大学物理、量子力学、固体物理等课程，有较好的学科基础。因此，热电部分理论的学习对于同学们来说没有任何的问题。然而，由于学生是第一次接触材料的热电性能和热电材料这方面的内容，因而需要通过查阅文献、阅读文献了解目前热电材料研究的进展情况[1]。

三、教学目标

材料物理性能课程设置的目标包括以下三个方面[2-3]。

（1）知识掌握目标：掌握热电的三大效应，能阐述三者的概念以及区别;掌握热电制冷原理和温差发电原理，材料热电材料的灵敏值及其影响因素。

（2）能力培养目标：会利用热电性能的影响因素分析热电偶材料以及温差发电的热电材料;通过开放式作业培养学生从实际出发提出问题、分析问题和解决问题的能力。

（3）课程思政目标：通过将本节课的基本理论知识应用于实际应用的过程，感悟物理性能课程的研究方法，培养学生的探索精神和创新意识。

四、教学内容与教学时间分配

五、教学流程与方法

（一）看现象

通过看现象，引入思考。图1（a）是我们实验室经常用的高温炉，如何测试炉体温度？图1（b）是玉兔二號月球车，没有太阳的月夜，玉兔二号月球车哪里来的供电？

接着讲解热电的三大效应，即塞贝克效应、珀耳帖效应以及汤姆逊效应。其中，塞贝克效应指的是1821德国科学家塞贝克将Cu和Bi金属联成一个回路，保持两个接口处有温度差，发现放在附近的指南针转动，后来人们发现将两种不同金属ab组成回路，接触处温度不同，则在回路中存在电动势。珀耳帖效应指的是1834年法国珀耳帖将Sb和Bi金属联成一个回路，并通以电流发现接口处有吸热或者放热。即当有电流通过不同的导体ab组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。汤姆逊效应指的是当电流在温度梯度的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。并且将三者进行比较、总结。614304DE-6094-4355-AE27-CC9F428BDFB9

（二）辨本质

图2（a）是Seebeck效应本质示意图：假如一根金属或半导体材料的两端保持温度差，那么热端载流子将趋于向冷端运动。假如载流子是电子，那么当它们离开热端而运动到冷端，就使得冷端电子数增多，变成负的，从而产生一个自建电场，以阻止载流子继续从热端向冷端进一步扩散。当这一过程最终趋于平衡时，导体内侧不再有电荷的定向移动，此时导体两端也就产生出一个与之相关的电动势即塞贝克电势。

图2（b）是Petlier效应本质示意图：位于节点两边材料中载流子浓度与Fermi能级不一样，当电流通过节点时，为了维持能量和电荷守恒，必须与环境交换能量。从而在宏观上产生结合界面附近的吸热或放热现象。

（三）探性能

材料的热电性能与哪些因素有关？如何提高材料的热电性能？通过制作PPT、思维导图引导学生深入分析（图3、图4）。

人们用ZT值代表表征材料热电性能的优劣。可以看出，ZT的值受到材料Seebeck系数、材料的电导率和热导率的影响。即Seebeck系数大，电导率高，热导率低的材料ZT大，热电性能好。可见，这和晶体结构、化学成分及能带结构有关。具体来说，比如要降低材料的热导率，由于材料的热导率主要包括声子热导率，电子热导率和光子热导率。对于半导体材料来说，在非高温区，体系的热导率主要是由声子热导率来决定的。因此，为了降低材料的热导率，可以形成固熔体结构，通过点阵缺陷提高声子散射几率;通过热电材料中晶体结构中的孔隙位置填入杂质原子;通过细化晶粒增加晶界散射降低热导率;低维化利用纳米量子点增加热传导声子散射。

理想的热电材料是一种电子晶体和声子玻璃的结合体（图5）。Slack提出电子晶体声子玻璃的假设，并认为最大的热电优值约等于4。

（四）微课题

讲解热电材料的发展历史，以及目前的科研进展，并布置相应的微课题供学生选择开展，培养学生的探索精神以及创新意识。

微课题1：方钴矿CoSb3热电性能

1957年， Dudkin等人发现CoSb3具有很高的塞贝克系数，但是问题是热导率很高， ZT=0.11。1995年，Moreli等人发现，在晶胞的空隙中填入直径较大的稀土原子，会形成电子晶体-声子玻璃，在塞贝克系数和电导率维持较高的水平情况下，其热导率大幅度降低，从而ZT值大大提高。1996年，Sales 在Science上发表了有关填隙方钴矿LaFeCoSb12和CeFeCoSb12热电性能的研究， ZT值达到了1.0。要想提高方钴矿CoSb3热电性能， 除了掺杂稀土元素，你还可以掺杂哪些元素？为什么要掺杂这些元素？并写出具体的实验方案。

微课题2：强磁场下热电性能改善

美国麻省理工学院的物理学家们找出了一条可以显著提升热电势的途径。在非常强的磁场作用下，产生了一种有趣的现象，在那里你可以让电子和空穴朝着相反方向移动。电子朝着冷的一侧，而空穴朝着热的一侧。它们在一起工作，原则上，你只要使磁场更强，就会让同样的材料产生越来越大的电压。布置学生查阅文献，调研强磁场下材料的热电性能研究进展。

微课题3：高压下体系的热电性能

除了强磁场这个极端条件，对样品施加高压，体系的热电性能会不会得到提高？同学们查阅文献，展开讨论。

六、教学反思

通过本次材料的热电性课程的讲解，总结出以下几条经验做法。

（1）通过将物理知识与实际应用材料性能相结合，让学生体会研究材料物理知识学习的重要性。本次课开头就以日常生活中热电偶测试以及玉兔二号月球车的能量供给为例子作为引入，让学生以更直观的角度感受在研究材料的时候，物理知识学习的重要性，增强学生学习的动力，激发学生的兴趣。

（2）注重教学过程中的科学性和教学手段的多样性。本次采用的是OBE的教学理念，通过看现象、辨本质、探性能以及微课题四个环节进行课程设计，在讲解的过程中，穿插提问和小组讨论，避免学生上课发呆、走神等现象，提高学习效率。并且引用视频、动画将一些抽象、枯燥、难以理解的概念直观显示在学生面前，利用思维导圖的形式将各种概念进行联系，方便学生记忆，培养学生的逻辑推理能力。

七、结束语

材料物理性能课程是材料物理专业模板中一门必修的基础课程。热电性是材料物理性能课程中重要的一小节，这一小节也是材料的性能与物理知识紧密联系的典型。该课程的基本概念、基本理论和基本方法构成了材料专业科学素养的重要组成部分，为学生后续专业课程的学习打下了必要的基础，对于提高学生的科学素质和培养学生的创新能力，以及解决实际问题的能力提供了很重要的方法。

参考文献：

[1]李慧，吴世永，周鸣宇，等.《静电场中的导体》教学设计[J].物理与工程，2021，31（3）：48-54.

[2]杨雷，袁雪芹，张甲甲，等.《材料物理性能》课程中“半导体材料”的教学设计[J].广州化工，2019，47（9）：176-178.

[3]杜永.Seebeck效应的教学体会[J].教育教学论坛，2017（14）：235-236.

基金项目：教育部2019年度国家级一流课程“高校发展专业课程专项——‘材料物理性能”（Z010112116）;安徽省省级精品线下开放课程“材料物理性能”（2019kfkc020）;安徽省省级双基项目“省级教学示范课——材料物理性能”（Y010512024/039）;安徽省省级线下一流课程“材料结构设计与计算”（2020kfkc045）;安徽省省级线下一流课程“光学”（2020kfkc022）;安徽省省级教学研究项目“通过‘材料结构设计与计算课程的研究型教学培养学生的创新能力”（2020jyxm0082）、“‘点圆式工作法在材料物理专业课程改革和一流人才培养中的发展与应用”（2019jyxm0066）

作者简介：郑赣鸿（1978-），女，汉族，江西上饶人，博士，教授，研究方向为材料物理。614304DE-6094-4355-AE27-CC9F428BDFB9