Termoelektriska material och metoder för deras framställning

Termoelektriska material inkluderar kemiska föreningar och metallegeringar, som är mer eller mindre uttalade. termoelektriska egenskaper.

Beroende på värdet av den erhållna termo-EMF, på smältpunkten, på de mekaniska egenskaperna, såväl som på den elektriska ledningsförmågan, används dessa material i industrin för tre ändamål: för omvandling av värme till elektricitet, för termoelektrisk kylning (värmeöverföring när elektrisk ström passerar) och även för att mäta temperatur (i pyrometri). De flesta av dem är: sulfider, karbider, oxider, fosfider, selenider och tellurider.

Så i termoelektriska kylskåp använder de vismuttellurid... Kiselkarbid är mer lämpad för att mäta temperaturer och c termoelektriska generatorer (TEG) Ett antal material har visat sig vara användbara: vismuttellurid, germaniumtellurid, antimontellurid, blytellurid, gadoliniumselenid, antimonselenid, vismutselenid, samariummonosulfid, magnesiumsilicid och magnesiumstannit.

De användbara egenskaperna hos dessa material är baserade på på två effekter — Seebeck och Peltier… Seebeck-effekten består i uppkomsten av termo-EMF i ändarna av seriekopplade olika ledningar, vars kontakter har olika temperaturer.

Peltiereffekten är motsatsen till Seebeckeffekten och består i överföringen av värmeenergi när en elektrisk ström passerar genom kontaktpunkterna (övergångar) mellan olika ledare, från en ledare till en annan.

Till viss del är dessa effekter en sedan dess orsaken till de två termoelektriska fenomenen är relaterad till en störning av den termiska jämvikten i bärarflödet.

Låt oss sedan titta på ett av de mest populära och eftertraktade termoelektriska materialen - vismuttellurid.

Det är allmänt accepterat att material med ett driftstemperaturområde under 300 K klassificeras som termoelektriska lågtemperaturmaterial. Ett slående exempel på ett sådant material är helt enkelt vismuttellurid Bi2Te3. På grundval av detta erhålls många termoelektriska föreningar med olika egenskaper.

Vismuttellurid har en romboedrisk kristallografisk struktur som inkluderar en uppsättning lager - kvintetter - i rät vinkel mot tredje ordningens symmetriaxel.

Den kemiska Bi-Te-bindningen antas vara kovalent och Te-Te-bindningen är Waanderwal. För att erhålla en viss typ av konduktivitet (elektron eller hål) införs ett överskott av vismut, tellur i utgångsmaterialet eller så legeras ämnet med föroreningar som arsenik, tenn, antimon eller bly (acceptorer) eller donatorer: CuBr , Bi2Te3Cul, B, Agl.

Föroreningar ger en mycket anisotrop diffusion, dess hastighet i klyvningsplanets riktning når diffusionshastigheten i vätskor.Under påverkan av en temperaturgradient och ett elektriskt fält observeras rörelse av föroreningsjoner i vismuttellurid.

För att erhålla enkristaller odlas de genom den riktade kristallisationsmetoden (Bridgeman), Czochralski-metoden eller zonsmältning. Legeringar baserade på vismuttellurid kännetecknas av uttalad anisotropi av kristalltillväxt: tillväxthastigheten längs klyvningsplanet överstiger avsevärt tillväxthastigheten i riktningen vinkelrät mot detta plan.

Termoelement tillverkas genom pressning, extrudering eller stränggjutning, medan termoelektriska filmer traditionellt tillverkas genom vakuumdeponering. Fasdiagrammet för vismuttellurid visas nedan:

Ju högre temperatur, desto lägre termoelektriskt värde för legeringen, eftersom den inre ledningsförmågan börjar påverka.Därför, vid höga temperaturer, över 500-600 K, kan denna härlighet inte användas enbart på grund av den förbjudna zonens lilla bredd.

För att det termoelektriska värdet på Z ska vara maximalt även vid inte särskilt höga temperaturer görs legeringen så bra som möjligt så att föroreningskoncentrationen blir mindre, vilket skulle säkerställa lägre elektrisk ledningsförmåga.

För att förhindra underkylning av koncentrationen (minskning av det termoelektriska värdet) i processen att växa en enkristall, används betydande temperaturgradienter (upp till 250 K / cm) och en låg hastighet för kristalltillväxt - cirka 0,07 mm / min.

Vismut och legeringar av vismut med antimon vid kristallisation ger ett romboedriskt gitter som tillhör den dihedriska skaleneedern.Enhetscellen av vismut är formad som en rombohedron med kanter 4,74 ångström långa.

Atomerna i ett sådant gitter är ordnade i dubbla skikt, där varje atom har tre grannar i ett dubbelskikt och tre i ett intilliggande skikt. Bindningarna är kovalenta inom dubbelskiktet, och van der Waals binder mellan skikten, vilket resulterar i en skarp anisotropi av de fysikaliska egenskaperna hos de resulterande materialen.

Vismut enkristaller odlas lätt genom zonomkristallisation, Bridgman och Czochralski metoder. Antimon med vismut ger en kontinuerlig serie fasta lösningar.

En vismut-antimonlegering enkristall odlas med hänsyn till de tekniska egenskaperna som orsakas av en betydande skillnad mellan solidus- och liquiduslinjerna. Så smältan kan ge en mosaikstruktur på grund av övergången till ett underkylt tillstånd vid kristallisationsfronten.

För att förhindra hypotermi tillgriper de en stor temperaturgradient - cirka 20 K / cm och en låg tillväxthastighet - inte mer än 0,3 mm / h.

Det speciella med spektrumet av strömbärare i vismut är att lednings- och valensbanden är ganska nära. Dessutom påverkas förändringen i spektrumparametrar av: tryck, magnetfält, föroreningar, temperaturförändringar och själva legeringens sammansättning.

På så sätt kan parametrarna för spektrumet av strömbärare i materialet styras, vilket gör det möjligt att erhålla ett material med optimala egenskaper och maximalt termoelektriskt värde.

Se även:Peltier element - hur det fungerar och hur man kontrollerar och ansluter