热电性（源自希腊语中的两个词pyr，意为火和电）是某些晶体的一种特性，这些晶体具有自然的电极化，因此包含较大的电场。[1] 热电性可以描述为某些材料在加热或冷却时产生临时电压的能力。[2] [3]温度的变化略微改变了原子在晶体结构中的位置，从而改变了材料的极化。这种极化变化会在晶体上产生电压。如果温度保持恒定在其新值，热释电电压会因泄漏电流而逐渐消失。泄漏可能是由于电子在晶体中移动，离子在空气中移动，或电流通过连接在晶体上的电压表泄漏。[3][4]

目录

1解释

1.1数学描述

2历史

3种晶体类别

3.1相关影响

4热释电材料

5应用

5.1热传感器

5.2发电

5.3核聚变

6另见

7参考文献

8外部链接

解释

热电性可以被视为三角形的一边[5]，其中每个角代表晶体中的能量状态：动能、电能和热能。电角和热角之间的一侧代表热释电效应，不产生动能。动能角和电角之间的一侧代表压电效应，不产生热量。

矿物中的热释电电荷在不对称晶体的相反面上形成。在整个热释电材料中，电荷传播的方向通常是恒定的，但在某些材料中，附近的电场可以改变这个方向。据说这些材料具有铁电性。所有已知的热释电材料也是压电材料。尽管具有热释电特性，但在某些成分下，诸如氮化硼铝（BAlN）和氮化硼镓（BGaN）等新型材料对沿c轴的应变具有零压电响应[6]，这两种特性密切相关。然而，请注意，一些压电材料具有晶体对称性，不允许热释电。

热释电材料大多是坚硬的晶体，然而，使用驻极体可以实现软热释电。[7]

热电性测量为与温度变化成比例的净极化（矢量）变化。恒定应力下测得的总热释电系数是恒定应变下的热释电常数（主要热释电效应）和热膨胀（次要热释电作用）的压电贡献之和。在正常情况下，即使是极性材料也不会显示净偶极矩。因此，不存在条形磁铁的电偶极等效物，因为固有偶极矩被通过内部传导或来自周围大气在表面上积聚的“自由”电荷中和。极性晶体只有在以某种方式受到扰动时才会显示其性质，这种扰动会瞬间破坏与补偿表面电荷的平衡。

自发极化与温度有关，因此一个好的微扰探针是一种温度变化，它诱导电荷流进出表面。这是热释电效应。所有极性晶体都是热释电晶体，因此10种极性晶体有时被称为热释电晶体。热释电材料可以用作红外和毫米波辐射探测器。

驻极体是永磁体的电学等价物。

数学描述

热释电系数可以描述为自发极化矢量随温度的变化：[8]

{\displaystyle p{i}={\frac{\partial p{S，i}}{\partic T}}}}{\displaystyle p{i{={\frac{\partial p}S，i}}}}{\partial T}}

其中pi（Cm−2公里−1） 是热释电系数的矢量。

历史

Theophrastus（约公元前314年）的著作中首次提到了热电效应，他指出电气石lyngourion在加热时可以吸引锯末或稻草碎片。[9] 1707年，约翰·乔治·施密特（Johann Georg Schmidt）重新发现了电气石的特性，他指出电气石只吸引热灰，而不吸引冷灰。[10] 1717年，路易·莱梅里（Louis Lemery）注意到，正如施密特（Schmidt）所注意到的那样，非导电材料的小碎片首先被电气石吸引，但一旦接触电气石，就会被电气岩排斥。[11] 1747年，林奈首次将这种现象与电联系起来（他称电气石为“电石”），[12]，尽管直到1756年，弗兰兹·乌尔里希·西奥多·埃平才证明了这一点。[13]

19世纪，对热电的研究变得更加复杂。1824年，大卫·布鲁斯特爵士将其命名为今天的效果。[14] William Thomson于1878年[15]和Woldemar Voigt于1897年[16]帮助发展了过程理论水晶类

根据旋转轴和反射面的数量，所有晶体结构都属于32个晶体类别之一，这些旋转轴和反射面保持晶体结构不变（点群）。在32种晶体中，有21种是非中心对称的（没有对称中心）。在这21种类型中，有20种表现出直接压电性，剩下的一种是立方类432。这20种压电类型中有10种是极性的，即它们具有自发极化，在其单元中具有偶极子，并表现出热电性。如果这个偶极子可以通过施加电场来反转，那么这种材料就是铁电的。当施加电场时，任何介电材料都会产生介电极化（静电），但即使在没有电场的情况下也具有这种自然电荷分离的物质称为极性材料。材料是否具有极性完全取决于其晶体结构。32个点组中只有10个是极性的。所有极性晶体都是热释电的，因此十类极性晶体有时被称为热释电晶体。

压电晶体类别：1、2、m、222、mm2、4、-4、422、4mm、-42m、3、32、3m、6、-6、622、6mm、-62m、23、-43m

热电：1，2，m，mm2，3，3m，4，4mm，6，6mm

相关影响

与热电性密切相关的两个效应是铁电性和压电性。通常，材料在宏观水平上几乎是电中性的。然而，构成材料的正负电荷不一定以对称方式分布。如果基本电池所有元件的电荷乘以距离之和不等于零，则电池将具有电偶极矩（矢量）。单位体积的偶极矩定义为电介质极化。如果该偶极矩随外加温度变化、外加电场或外加压力的影响而变化，则该材料分别为热电、铁电或压电材料。

在没有外加电场的情况下具有极化的材料表现出铁电效应，因此，如果电场反转，极化可以反转。由于所有铁电材料都表现出自发极化，因此所有铁电物质也都是热释电的（但并非所有热释电材料都是铁电的）。

压电效应表现为晶体（如石英或陶瓷），当施加压力时，材料上会出现电压。与热释电效应类似，这种现象是由于晶体的不对称结构，使得离子更容易沿着一个轴而不是其他轴移动。当施加压力时，晶体的每一侧承担相反的电荷，导致晶体两端的电压降。

热电性不应与热电性混淆：在典型的热电性演示中，整个晶体从一个温度变化到另一个温度，结果是晶体上产生临时电压。在典型的热电演示中，装置的一部分保持在一个温度，另一部分保持不同的温度，只要存在温差，结果就是装置上产生永久电压。这两种效应都将温度变化转化为电势，但热释电效应将温度随时间的变化转化为电位，而热电效应则将温度随位置的变化转化成电势。

热释电材料

虽然人工热电材料已经被设计出来，但这种效应首先在电气石等矿物中发现。热释电效应也存在于骨骼和肌腱中[18]

最重要的例子是氮化镓，一种半导体。[19] 这种材料中的大电场对发光二极管（LED）有害，但对功率晶体管的生产有用。[需要引用]

使用氮化镓（GaN）、硝酸铯（CsNO3）、聚乙烯醇氟化物、苯基吡啶衍生物和酞菁钴，在制造通常以薄膜形式存在的人造热释电材料方面取得了进展。钽酸锂（LiTaO3）是一种兼具压电和热释电特性的晶体，已用于制造小规模核聚变（“热释电聚变”）。[20] 最近，在掺杂氧化铪（HfO2）中发现了热释电和压电特性，这是CMOS制造中的标准材料。[21]

应用

热传感器

温度的微小变化可以产生热电势。被动红外传感器通常是围绕热释电材料设计的，因为几英尺以外的人或动物的热量足以产生电压