Termoelektriske materialer og metoder for deres fremstilling

Termoelektriske materialer inkluderer kjemiske forbindelser og metallegeringer, som er mer eller mindre uttalt. termoelektriske egenskaper.

Avhengig av verdien av den oppnådde termo-EMF, på smeltepunktet, på de mekaniske egenskapene, så vel som på den elektriske ledningsevnen, brukes disse materialene i industrien til tre formål: for konvertering av varme til elektrisitet, for termoelektrisk kjøling (varmeoverføring ved overføring av elektrisk strøm) og også for å måle temperatur (i pyrometri). De fleste av dem er: sulfider, karbider, oksider, fosfider, selenider og tellurider.

Så i termoelektriske kjøleskap bruker de vismut tellurid... Silisiumkarbid er mer egnet for måling av temperaturer og c termoelektriske generatorer (TEG) En rekke materialer har vist seg å være nyttige: vismuttellurid, germaniumtellurid, antimontellurid, blytellurid, gadoliniumselenid, antimonselenid, vismutselenid, samariummonosulfid, magnesiumsilisid og magnesiumstannitt.

De nyttige egenskapene til disse materialene er basert på på to effekter - Seebeck og Peltier… Seebeck-effekten består i utseendet til termo-EMF i endene av seriekoblede forskjellige ledninger, kontaktene mellom disse har forskjellige temperaturer.

Peltier-effekten er det motsatte av Seebeck-effekten og består i overføring av varmeenergi når en elektrisk strøm går gjennom kontaktpunktene (kryssene) til forskjellige ledere, fra en leder til en annen.

Til en viss grad er disse effektene en siden årsaken til de to termoelektriske fenomenene er relatert til en forstyrrelse av den termiske likevekten i bærerstrømmen.

La oss deretter se på et av de mest populære og ettertraktede termoelektriske materialene - vismuttellurid.

Det er generelt akseptert at materialer med et driftstemperaturområde under 300 K klassifiseres som termoelektriske lavtemperaturmaterialer. Et slående eksempel på et slikt materiale er ganske enkelt vismuttelluride Bi2Te3. På grunnlag av dette oppnås mange termoelektriske forbindelser med forskjellige egenskaper.

Vismuttellurid har en romboedrisk krystallografisk struktur som inkluderer et sett med lag - kvintetter - i rette vinkler på tredjeordens symmetriakse.

Den kjemiske bindingen Bi-Te antas å være kovalent og Te-Te-bindingen er Waanderwal. For å oppnå en viss type ledningsevne (elektron eller hull), introduseres et overskudd av vismut, tellur i utgangsmaterialet eller stoffet er legert med urenheter som arsen, tinn, antimon eller bly (akseptorer) eller donorer: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AGI.

Urenheter gir en svært anisotropisk diffusjon, dens hastighet i retning av spaltningsplanet når diffusjonshastigheten i væsker.Under påvirkning av en temperaturgradient og et elektrisk felt observeres bevegelse av urenheter i vismuttellurid.

For å oppnå enkeltkrystaller dyrkes de ved retningskrystalliseringsmetoden (Bridgeman), Czochralski-metoden eller sonesmelting. Legeringer basert på vismuttellurid er preget av uttalt anisotropi av krystallvekst: veksthastigheten langs spaltningsplanet overstiger betydelig veksthastigheten i retningen vinkelrett på dette planet.

Termoelementer produseres ved pressing, ekstrudering eller kontinuerlig støping, mens termoelektriske filmer tradisjonelt produseres ved vakuumavsetning. Fasediagrammet for vismuttellurid er vist nedenfor:

Jo høyere temperatur, jo lavere er den termoelektriske verdien av legeringen, siden den indre ledningsevnen begynner å påvirke. Derfor, ved høye temperaturer, over 500-600 K, kan ikke denne herligheten brukes bare på grunn av den lille bredden til den forbudte sonen.

For at den termoelektriske verdien til Z skal være maksimal selv ved ikke veldig høye temperaturer, legeres så godt som mulig slik at urenhetskonsentrasjonen blir mindre, noe som ville sikre lavere elektrisk ledningsevne.

For å forhindre underkjøling av konsentrasjonen (reduksjon av den termoelektriske verdien) i prosessen med å dyrke en enkelt krystall, brukes betydelige temperaturgradienter (opptil 250 K / cm) og en lav hastighet på krystallvekst - omtrent 0,07 mm / min.

Vismut og legeringer av vismut med antimon ved krystallisering gir et romboedrisk gitter som tilhører det dihedriske skaleneederet.Enhetscellen til vismut er formet som et romboeder med kanter 4,74 ångstrøm lange.

Atomene i et slikt gitter er ordnet i doble lag, hvor hvert atom har tre naboer i et dobbeltlag og tre i et tilstøtende lag. Bindingene er kovalente i dobbeltlaget, og van der Waals binder seg mellom lagene, noe som resulterer i en skarp anisotropi av de fysiske egenskapene til de resulterende materialene.

Vismut enkeltkrystaller dyrkes lett ved sonal rekrystallisering, Bridgman og Czochralski metoder. Antimon med vismut gir en kontinuerlig serie med faste løsninger.

En vismut-antimonlegering enkrystall dyrkes under hensyntagen til de teknologiske egenskapene forårsaket av en betydelig forskjell mellom solidus- og liquidus-linjene. Så smelten kan gi en mosaikkstruktur på grunn av overgangen til en underkjølt tilstand ved krystalliseringsfronten.

For å forhindre hypotermi tyr de til en stor temperaturgradient - omtrent 20 K / cm og lav veksthastighet - ikke mer enn 0,3 mm / t.

Det særegne ved spekteret av strømbærere i vismut er at lednings- og valensbåndene er ganske nære. I tillegg påvirkes endringen i spektrumparametere av: trykk, magnetfelt, urenheter, temperaturendringer og sammensetningen av selve legeringen.

På denne måten kan parametrene til spekteret av strømbærere i materialet kontrolleres, noe som gjør det mulig å oppnå et materiale med optimale egenskaper og maksimal termoelektrisk verdi.

Se også:Peltier-element - hvordan det fungerer og hvordan du sjekker og kobler til