奈米碳管掺混導電高分子製作熱電材料之研究

The Conducting Polymer-Carbon Nanotube Composites and Their Applications in Thermoelectrics

呂建賢(Lu-Chien Shien)

指導教授 ： 黃金花

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2008年)

摘要

固態熱電材料的發展歷史悠久，可作為溫差發電或是電子冷卻應用，由於此材料應用時沒有移動元件，亦無機械損耗，因此使用時限長且安靜無聲，對於工業應用或是學術研究都具備相當大的吸引力。一般熱電材料最大的缺點在於轉換效率低，熱電性能以一無因次數ZT來表示，傳統熱電材料之最佳ZT值約在0.7~1.0之間。好的熱電材料必須具備高的熱電力(Seebeck 係數)，高的導電率及低的導熱率。對於金屬而言，導電率和導熱率往往都相當好，使得其熱電性能不佳，而絕緣材料的導電率和導熱率都不好，也無法成為好的熱電材料。僅半導體材料，可以靠摻雜量來調整導電率和導熱率，取得其平衡的性質以具備較佳的熱電性能。本研究提出一新穎的觀念，利用掺混奈米碳管與聚塞吩導電高分子來製作熱電複合材料，在具備低導熱率的導電高分子基材中，摻雜不同電性、不同濃度的奈米碳管下，調控影響熱電效率的三個因素(導電率、Seebeck係數及導熱率)，進而得到較佳的熱電效率。
為了取得不同電性的奈米碳管，本研究除了使用金屬性的多壁碳管以外，也針對單壁碳管，利用添加介面活性劑方式來分離金屬性和半導性單壁奈米碳管。其分離效果以拉曼光譜、Kataura圖來比對與碳管旋度n-m=3之倍數，證實分離後的碳管旋度為(17,0)與(19,0)，即為半導性單壁奈米碳管，而殘餘碳管則為金屬性單壁奈米碳管。使用SEM來進行分析薄膜表面型態與碳管分佈狀況，而導電率與Seebeck的量測方面則使用四線量測法與自行組裝之控溫平台。
在不同電性與型態的奈米碳管中，掺混比例越高對於導電率則有明顯的提升，其中以多壁碳管提升最多，由掺混濃度1 wt%的2.03 x 10-6 S/cm提升至15 wt %的3.68 x 10-4 S/cm，而Seebeck係數最高的部份則是在半導性單壁奈米碳管摻雜0.1 wt%時可以得到4116.8 µV/K。本實驗最佳參數為金屬性單壁奈米碳管濃度10 wt%，熱電勢為4.21 x 10-4 µW/K2-m。顯示不同電性及摻混比例的奈米碳管，的確影響其熱電行為，而存在一適當的比例來得到最佳的熱電性能。

關鍵字

奈米碳管 ； 熱電材料

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參考文獻

[4] Z. F. Ren, Z. P. Huang, J. W. Xu, J. H. Wang, P. Bush, M. P. Siegal,

[7] A. Thess, R. Lee, P. Nikolaev, H. J. Dai, P. Petit, J. Robert, C. H. Xu, Y. H. Lee, S. G. Kim, A. G. Rinzler, D. T. Colbert, G. E. Scuseria, D. Tomanek, J. E. Fischer, and R. E. Smalley, Science 273, 483 (1996).

[1] S. Iijima, Nature 354, 56 (1991).

P. N. Provencio, Science 282, 1105 (1998).

[6] T. W. Ebbesen, P. M. Ajayan, Nature 358, 220 (1992).