Термоелектрически материали и методи за тяхното приготвяне

Термоелектрическите материали включват химични съединения и метални сплави, които са повече или по -слабо изразени. термоелектрически свойства.

В зависимост от стойността на получения термо-ЕМП, от точката на топене, от механичните характеристики, както и от електропроводимостта, тези материали се използват в промишлеността за три цели: за преобразуване на топлината в електричество, за термоелектрическо охлаждане (топлина прехвърляне при преминаване на електрически ток), а също и за измерване на температурата (в пирометрия). Повечето от тях са: сулфиди, карбиди, оксиди, фосфиди, селениди и телуриди.

Така че в термоелектрическите хладилници те използват бисмутов телурид… Силициевият карбид е по -подходящ за измерване на температури и в термоелектрически генератори (TEG) Установено е, че са полезни редица материали: бисмутов телурид, германиев телурид, антимонов телурид, оловен телурид, гадолиниев селенид, антимонов селенид, бисмутов селенид, самариев моносулфид, магнезиев силицид и магнезиев станид.

Полезните свойства на тези материали се основават на върху два ефекта — Зеебек и Пелтие… Ефектът на Зеебек се състои в появата на термо-ЕМП в краищата на последователно свързани различни проводници, контактите между които са при различни температури.

Ефектът на Пелтие е противоположен на ефекта на Зеебек и се състои в прехвърляне на топлинна енергия, когато електрически ток преминава през местата на контакти (кръстовища) на различни проводници, от един проводник към друг.

До известна степен тези ефекти са едно, тъй като причината за двата термоелектрически явления е свързана с нарушаване на термичното равновесие в носещия поток.

След това нека разгледаме един от най -популярните и търсени термоелектрически материали — бисмутов телурид.

Общоприето е, че материалите с работен температурен диапазон под 300 K се класифицират като нискотемпературни термоелектрически материали. Ярък пример за такъв материал е просто бисмутовият телурид Bi2Te3. На негова основа се получават множество термоелектрични съединения с различни характеристики.

Бисмутовият телурид има ромбоедрична кристалографска структура, която включва набор от слоеве — квинтети, разположени под прав ъгъл спрямо оста на симетрия от трети ред.

Предполага се, че Bi-Te химическата връзка е ковалентна, а Te-Te връзката е на Waanderwal. За да се получи определен вид проводимост (електрон или дупка), в изходния материал се въвежда излишък от бисмут, телур или веществото се легира с примеси като арсен, калай, антимон или олово (акцептори) или донори: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI.

Примесите дават силно анизотропна дифузия, нейната скорост по посока на равнината на разцепване достига скоростта на дифузия в течности. Под въздействието на температурен градиент и електрическо поле се наблюдава движение на примесни йони в бисмутов телурид.

За да се получат монокристали, те се отглеждат по метода на насочена кристализация (Бриджман), метода на Чохралски или топене в зона. Сплавите на основата на бисмутов телурид се характеризират с изразена анизотропия на растежа на кристалите: скоростта на растеж по равнината на разцепване значително надвишава скоростта на растеж в посока, перпендикулярна на тази равнина.

Термодвойките се произвеждат чрез пресоване, екструдиране или непрекъснато леене, докато термоелектрическите филми традиционно се произвеждат чрез вакуумно отлагане. Фазовата диаграма за бисмутов телурид е показана по -долу:

Колкото по -висока е температурата, толкова по -ниска е термоелектрическата стойност на сплавта, тъй като вътрешната проводимост започва да влияе.Следователно, при високи температури, над 500-600 K, тази слава не може да се използва просто поради малката ширина на забранената зона.

За да може термоелектрическата стойност на Z да бъде максимална дори при не много високи температури, легирането се извършва възможно най -добре, така че концентрацията на примеси да е по -малка, което би осигурило по -ниска електрическа проводимост.

За да се предотврати преохлаждането на концентрацията (намаляване на термоелектрическата стойност) в процеса на отглеждане на монокристал, се използват значителни температурни градиенти (до 250 K / cm) и ниска скорост на растеж на кристалите — около 0,07 mm / min.

Бисмутът и сплавите от бисмут с антимон при кристализацията дават ромбоедрична решетка, която принадлежи към двуъгълния скаленноедър. Елементната клетка от бисмут има формата на ромбоедър с ръбове с дължина 4,74 ангстрема.

Атомите в такава решетка са подредени в двойни слоеве, като всеки атом има три съседи в двоен слой и три в съседен слой. Връзките са ковалентни вътре в двойния слой, а ван дер Ваалсовите връзки между слоевете, което води до рязка анизотропия на физическите свойства на получените материали.

Бисмутовите монокристали се отглеждат лесно чрез зонова рекристализация, методите на Бриджман и метода Чохралски. Антимон с бисмут дава непрекъсната серия от твърди разтвори.

Монокристал от сплав от бисмут-антимон се отглежда, като се вземат предвид технологичните особености, причинени от значителна разлика между линията солидус и ликвидус. Така че стопилката може да даде мозаечна структура поради прехода към преохладено състояние на фронта на кристализация.

За да предотвратят хипотермия, те прибягват до голям температурен градиент — около 20 K / cm и ниска скорост на растеж — не повече от 0,3 mm / h.

Особеността на спектъра на токови носители в бисмут е, че проводимостта и валентните ленти са доста близки. В допълнение, промяната в параметрите на спектъра се влияе от: налягане, магнитно поле, примеси, температурни промени и състава на самата сплав.

По този начин параметрите на спектъра на токови носители в материала могат да бъдат контролирани, което прави възможно получаването на материал с оптимални свойства и максимална термоелектрическа стойност.

Вижте също:Елемент Пелтие — как работи и как да проверите и свържете