Termoelektrické materiály a způsoby jejich přípravy

Mezi termoelektrické materiály patří chemické sloučeniny a slitiny kovů, které jsou více či méně výrazné. termoelektrické vlastnosti.

V závislosti na hodnotě získaného termo-EMF, na bodu tání, na mechanických vlastnostech a také na elektrické vodivosti se tyto materiály používají v průmyslu ke třem účelům: k přeměně tepla na elektřinu, k termoelektrickému chlazení (přenos tepla při průchodu elektrického proudu) a také k měření teploty (v pyrometrii). Většina z nich jsou: sulfidy, karbidy, oxidy, fosfidy, selenidy a teluridy.

Takže v termoelektrických lednicích, které používají telurid bismutitý... Karbid křemíku je vhodnější pro měření teplot a c termoelektrické generátory (TEG) Bylo zjištěno, že užitečných je celá řada materiálů: telurid vizmutu, telurid germania, telurid antimonu, telurid olova, selenid gadolinia, selenid antimonu, selenid vizmutu, monosulfid samaria, silicid hořečnatý a stannit hořečnatý.

Užitné vlastnosti těchto materiálů jsou založeny na na dva efekty — Seebeck a Peltier… Seebeckův efekt spočívá ve vzhledu termo-EMF na koncích sériově zapojených různých vodičů, jejichž kontakty mají různé teploty.

Peltierův jev je opakem Seebeckova jevu a spočívá v přenosu tepelné energie při průchodu elektrického proudu kontaktními body (spojeními) různých vodičů, z jednoho vodiče do druhého.

Do jisté míry jsou tyto účinky od té doby jediné příčina dvou termoelektrických jevů souvisí s poruchou tepelné rovnováhy v nosném proudu.

Dále se podívejme na jeden z nejoblíbenějších a nejžádanějších termoelektrických materiálů — telurid vizmutu.

Obecně se uznává, že materiály s rozsahem provozních teplot pod 300 K jsou klasifikovány jako nízkoteplotní termoelektrické materiály. Pozoruhodným příkladem takového materiálu je jednoduše telurid vizmutu Bi2Te3. Na jeho základě se získá mnoho termoelektrických sloučenin s různými vlastnostmi.

Telurid vizmutu má romboedrickou krystalografickou strukturu, která zahrnuje sadu vrstev – kvintetů – v pravém úhlu k ose symetrie třetího řádu.

Předpokládá se, že chemická vazba Bi-Te je kovalentní a vazba Te-Te je Waanderwal. Aby se získal určitý typ vodivosti (elektron nebo díra), do výchozího materiálu se zavádí přebytek vizmutu, telur nebo se látka leguje nečistotami, jako je arsen, cín, antimon nebo olovo (akceptory) nebo donory: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI.

Nečistoty dávají vysoce anizotropní difúzi, její rychlost ve směru štěpné roviny dosahuje rychlosti difúze v kapalinách.Vlivem teplotního gradientu a elektrického pole je pozorován pohyb iontů nečistot v teluridu vizmutu.

Pro získání monokrystalů se pěstují metodou směrové krystalizace (Bridgeman), Czochralského metodou nebo zónovým tavením. Slitiny na bázi teluridu vizmutu se vyznačují výraznou anizotropií růstu krystalů: rychlost růstu podél roviny štěpení výrazně převyšuje rychlost růstu ve směru kolmém k této rovině.

Termočlánky se vyrábějí lisováním, vytlačováním nebo kontinuálním litím, zatímco termoelektrické filmy se tradičně vyrábějí vakuovým nanášením. Fázový diagram pro telurid vizmutu je uveden níže:

Čím vyšší teplota, tím nižší je termoelektrická hodnota slitiny, protože začíná ovlivňovat vnitřní vodivost.Proto při vysokých teplotách nad 500-600 K nelze tuto slávu použít jen kvůli malé šířce zakázané zóny.

Aby termoelektrická hodnota Z byla maximální i při nepříliš vysokých teplotách, je legování provedeno co nejlépe, aby koncentrace nečistot byla menší, což by zajistilo nižší elektrickou vodivost.

Aby se zabránilo podchlazení koncentrace (snížení termoelektrické hodnoty) v procesu růstu monokrystalu, používají se výrazné teplotní gradienty (až 250 K / cm) a nízká rychlost růstu krystalů — asi 0,07 mm/min.

Vizmut a slitiny vizmutu s antimonem při krystalizaci dávají romboedrickou mřížku, která patří k dihedrálnímu scaleneedru.Základní buňka bismutu má tvar kosočtverce s okraji dlouhými 4,74 angstromu.

Atomy v takové mřížce jsou uspořádány ve dvou vrstvách, přičemž každý atom má tři sousedy ve dvojité vrstvě a tři v sousední vrstvě. Vazby jsou kovalentní uvnitř dvojvrstvy a van der Waalsovy vazby mezi vrstvami, což vede k ostré anizotropii fyzikálních vlastností výsledných materiálů.

Monokrystaly bismutu se snadno pěstují zonální rekrystalizací, Bridgmanovou a Czochralského metodou. Antimon s vizmutem poskytuje souvislou řadu pevných roztoků.

Monokrystal slitiny bismut-antimon se pěstuje s ohledem na technologické vlastnosti způsobené výrazným rozdílem mezi čarami solidu a likvidu. Takže tavenina může dát mozaikovou strukturu díky přechodu do podchlazeného stavu na frontě krystalizace.

Aby se zabránilo podchlazení, uchylují se k velkému teplotnímu gradientu - asi 20 K / cm a nízké rychlosti růstu - ne více než 0,3 mm / h.

Zvláštností spektra proudových nosičů v bismutu je, že vodivost a valenční pásy jsou si velmi blízké. Změnu parametrů spektra navíc ovlivňují: tlak, magnetické pole, nečistoty, změny teploty a složení samotné slitiny.

Tímto způsobem lze řídit parametry spektra proudových nosičů v materiálu, což umožňuje získat materiál s optimálními vlastnostmi a maximální termoelektrickou hodnotou.

Viz také:Peltierův prvek - jak to funguje a jak zkontrolovat a připojit