Termoelektrické materiály a spôsoby ich prípravy

Termoelektrické materiály zahŕňajú chemické zlúčeniny a zliatiny kovov, ktoré sú viac či menej výrazné. termoelektrické vlastnosti.

V závislosti od hodnoty získaného termo-EMF, od teploty topenia, od mechanických vlastností, ako aj od elektrickej vodivosti sa tieto materiály používajú v priemysle na tri účely: na premenu tepla na elektrinu, na termoelektrické chladenie (prenos tepla pri prechode elektrického prúdu) a tiež na meranie teploty (v pyrometrii). Väčšina z nich sú: sulfidy, karbidy, oxidy, fosfidy, selenidy a teluridy.

Takže v termoelektrických chladničkách, ktoré používajú telurid bizmutu... Karbid kremíka je vhodnejší na meranie teplôt a c termoelektrické generátory (TEG) Zistilo sa, že užitočné sú mnohé materiály: telurid bizmutu, telurid germánia, telurid antimónu, telurid olova, selenid gadolínia, selenid antimónu, selenid bizmutu, monosulfid samária, silicid horečnatý a stannit horečnatý.

Užitočné vlastnosti týchto materiálov sú založené na na dvoch efektoch — Seebeckovi a Peltierovi… Seebeckov efekt spočíva vo výskyte termo-EMF na koncoch sériovo zapojených rôznych vodičov, medzi ktorými sú kontakty pri rôznych teplotách.

Peltierov jav je opakom Seebeckovho javu a spočíva v prenose tepelnej energie pri prechode elektrického prúdu cez kontaktné body (spojky) rôznych vodičov, z jedného vodiča do druhého.

Do určitej miery sú tieto účinky od tej doby jediné príčina dvoch termoelektrických javov súvisí s porušením tepelnej rovnováhy v prúde nosiča.

Ďalej sa pozrime na jeden z najobľúbenejších a najvyhľadávanejších termoelektrických materiálov — telurid bizmutu.

Všeobecne sa uznáva, že materiály s rozsahom prevádzkovej teploty pod 300 K sú klasifikované ako nízkoteplotné termoelektrické materiály. Pozoruhodným príkladom takéhoto materiálu je jednoducho telurid bizmutu Bi2Te3. Na jeho základe sa získa veľa termoelektrických zlúčenín s rôznymi vlastnosťami.

Telurid bizmutu má romboedrickú kryštalografickú štruktúru, ktorá zahŕňa súbor vrstiev – kvintetov – v pravom uhle k osi symetrie tretieho rádu.

Predpokladá sa, že chemická väzba Bi-Te je kovalentná a väzba Te-Te je Waanderwal. Aby sa získal určitý typ vodivosti (elektrón alebo diera), do východiskového materiálu sa zavádza nadbytok bizmutu, telúr alebo sa látka leguje s nečistotami ako arzén, cín, antimón alebo olovo (akceptory) alebo donory: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI.

Nečistoty dávajú vysoko anizotropnú difúziu, jej rýchlosť v smere roviny štiepenia dosahuje rýchlosť difúzie v kvapalinách.Vplyvom teplotného gradientu a elektrického poľa sa pozoruje pohyb iónov nečistôt v teluride bizmutu.

Na získanie monokryštálov sa pestujú metódou smerovej kryštalizácie (Bridgeman), Czochralského metódou alebo zónovým tavením. Zliatiny na báze teluridu bizmutu sa vyznačujú výraznou anizotropiou rastu kryštálov: rýchlosť rastu pozdĺž roviny štiepenia výrazne prevyšuje rýchlosť rastu v smere kolmom na túto rovinu.

Termočlánky sa vyrábajú lisovaním, vytláčaním alebo kontinuálnym odlievaním, zatiaľ čo termoelektrické filmy sa tradične vyrábajú vákuovým nanášaním. Fázový diagram teluridu bizmutu je uvedený nižšie:

Čím vyššia je teplota, tým nižšia je termoelektrická hodnota zliatiny, pretože vnútorná vodivosť začína ovplyvňovať.Preto pri vysokých teplotách, nad 500-600 K, túto slávu nemožno použiť len kvôli malej šírke zakázanej zóny.

Aby bola termoelektrická hodnota Z maximálna aj pri nie veľmi vysokých teplotách, legovanie sa robí čo najlepšie, aby koncentrácia nečistôt bola menšia, čo by zabezpečilo nižšiu elektrickú vodivosť.

Aby sa zabránilo podchladeniu koncentrácie (zníženiu termoelektrickej hodnoty) v procese rastu monokryštálu, používajú sa výrazné teplotné gradienty (až 250 K / cm) a nízka rýchlosť rastu kryštálov - asi 0,07 mm / min.

Bizmut a zliatiny bizmutu s antimónom pri kryštalizácii poskytujú romboedrickú mriežku, ktorá patrí k dihedrálnemu skalenedrónu.Základná bunka bizmutu má tvar kosoštvorca s okrajmi dlhými 4,74 angstromu.

Atómy v takejto mriežke sú usporiadané v dvojitých vrstvách, pričom každý atóm má troch susedov v dvojitej vrstve a troch v susednej vrstve. Väzby sú v dvojvrstve kovalentné a van der Waalsove väzby medzi vrstvami vedú k ostrej anizotropii fyzikálnych vlastností výsledných materiálov.

Monokryštály bizmutu sa ľahko pestujú zonálnou rekryštalizáciou, metódami Bridgman a Czochralski. Antimón s bizmutom poskytuje súvislý rad tuhých roztokov.

Monokryštál zliatiny bizmutu a antimónu sa pestuje s prihliadnutím na technologické vlastnosti spôsobené výrazným rozdielom medzi čiarami solidus a likvidus. Takže tavenina môže poskytnúť mozaikovú štruktúru v dôsledku prechodu do podchladeného stavu na čele kryštalizácie.

Aby sa zabránilo podchladeniu, uchyľujú sa k veľkému teplotnému gradientu - asi 20 K / cm a nízkej rýchlosti rastu - nie viac ako 0,3 mm / h.

Zvláštnosťou spektra prúdových nosičov v bizmute je, že vodivé a valenčné pásy sú celkom blízko. Okrem toho zmenu parametrov spektra ovplyvňujú: tlak, magnetické pole, nečistoty, zmeny teploty a zloženie samotnej zliatiny.

Týmto spôsobom možno riadiť parametre spektra prúdových nosičov v materiáli, čo umožňuje získať materiál s optimálnymi vlastnosťami a maximálnou termoelektrickou hodnotou.

Pozri tiež:Peltierov prvok - ako to funguje a ako skontrolovať a pripojiť