Termoelektriske materialer og metoder til deres fremstilling

Termoelektriske materialer omfatter kemiske forbindelser og metallegeringer, som er mere eller mindre udtalte. termoelektriske egenskaber.

Afhængigt af værdien af ​​den opnåede termo-EMF, på smeltepunktet, på de mekaniske egenskaber såvel som på den elektriske ledningsevne, bruges disse materialer i industrien til tre formål: til omdannelse af varme til elektricitet, til termoelektrisk køling (varmeoverførsel ved passage af elektrisk strøm) og også til at måle temperatur (i pyrometri). De fleste af dem er: sulfider, carbider, oxider, phosphider, selenider og tellurider.

Så i termoelektriske køleskabe bruger de vismut tellurid... Siliciumcarbid er mere velegnet til måling af temperaturer og c termoelektriske generatorer (TEG) En række materialer har vist sig at være nyttige: vismuttellurid, germaniumtellurid, antimontellurid, blytellurid, gadoliniumselenid, antimonselenid, vismutselenid, samariummonosulfid, magnesiumsilicid og magnesiumstannit.

De nyttige egenskaber af disse materialer er baseret på på to virkninger - Seebeck og Peltier… Seebeck-effekten består i tilsynekomsten af ​​termo-EMF i enderne af serieforbundne forskellige ledninger, mellem hvilke kontakter er ved forskellige temperaturer.

Peltier-effekten er det modsatte af Seebeck-effekten og består i overførsel af varmeenergi, når en elektrisk strøm passerer gennem kontaktpunkterne (junctions) af forskellige ledere, fra en leder til en anden.

Til en vis grad er disse virkninger en siden årsagen til de to termoelektriske fænomener er relateret til en forstyrrelse af den termiske ligevægt i bærerstrømmen.

Lad os derefter se på et af de mest populære og eftertragtede termoelektriske materialer - vismuttellurid.

Det er generelt accepteret, at materialer med et driftstemperaturområde under 300 K klassificeres som termoelektriske lavtemperaturmaterialer. Et slående eksempel på et sådant materiale er simpelthen vismuttellurid Bi2Te3. På grundlag heraf opnås mange termoelektriske forbindelser med forskellige egenskaber.

Bismuthtellurid har en romboedrisk krystallografisk struktur, der omfatter et sæt lag - kvintetter - vinkelret på tredjeordens symmetriakse.

Den kemiske Bi-Te-binding antages at være kovalent, og Te-Te-bindingen er Waanderwal. For at opnå en bestemt type ledningsevne (elektron eller hul), indføres et overskud af vismut, tellur i udgangsmaterialet eller stoffet legeres med urenheder som arsen, tin, antimon eller bly (acceptorer) eller donorer: CuBr , Bi2Te3CuI, B, Agl.

Urenheder giver en meget anisotropisk diffusion, dens hastighed i retning af spaltningsplanet når diffusionshastigheden i væsker.Under påvirkning af en temperaturgradient og et elektrisk felt observeres bevægelse af urenheder i bismuthtellurid.

For at opnå enkeltkrystaller dyrkes de ved den retningsbestemte krystallisationsmetode (Bridgeman), Czochralski-metoden eller zonesmeltning. Legeringer baseret på bismuthtellurid er karakteriseret ved udtalt anisotropi af krystalvækst: væksthastigheden langs spaltningsplanet overstiger væsentligt væksthastigheden i retningen vinkelret på dette plan.

Termoelementer fremstilles ved presning, ekstrudering eller kontinuerlig støbning, mens termoelektriske film traditionelt fremstilles ved vakuumaflejring. Fasediagrammet for bismuthtellurid er vist nedenfor:

Jo højere temperatur, jo lavere er legeringens termoelektriske værdi, da den indre ledningsevne begynder at påvirke. Derfor kan denne herlighed ved høje temperaturer, over 500-600 K, ikke bruges blot på grund af den lille bredde af den forbudte zone.

For at den termoelektriske værdi af Z skal være maksimal selv ved ikke særlig høje temperaturer, legeres så godt som muligt, så urenhedskoncentrationen bliver mindre, hvilket ville sikre lavere elektrisk ledningsevne.

For at forhindre underafkøling af koncentrationen (reduktion af den termoelektriske værdi) i processen med at dyrke en enkelt krystal, anvendes signifikante temperaturgradienter (op til 250 K / cm) og en lav krystalvæksthastighed - omkring 0,07 mm / min.

Bismuth og legeringer af vismut med antimon ved krystallisation giver et romboedrisk gitter, der hører til det dihedriske scalenehedron.Enhedscellen af ​​vismut er formet som et rombohedron med kanter på 4,74 ångstrøm.

Atomerne i et sådant gitter er arrangeret i dobbeltlag, hvor hvert atom har tre naboer i et dobbeltlag og tre i et tilstødende lag. Bindingerne er kovalente i dobbeltlaget, og van der Waals binder mellem lagene, hvilket resulterer i en skarp anisotropi af de fysiske egenskaber af de resulterende materialer.

Bismuth-enkeltkrystaller dyrkes let ved zoneomkrystallisation, Bridgman- og Czochralski-metoder. Antimon med bismuth giver en kontinuerlig serie af faste opløsninger.

En vismut-antimonlegering enkeltkrystal dyrkes under hensyntagen til de teknologiske egenskaber forårsaget af en betydelig forskel mellem solidus- og liquidus-linjerne. Så smelten kan give en mosaikstruktur på grund af overgangen til en underafkølet tilstand ved krystallisationsfronten.

For at forhindre hypotermi tyr de til en stor temperaturgradient - omkring 20 K / cm og en lav væksthastighed - ikke mere end 0,3 mm / t.

Det særlige ved spektret af strømbærere i bismuth er, at lednings- og valensbåndene er ret tætte. Derudover påvirkes ændringen i spektrumparametre af: tryk, magnetfelt, urenheder, temperaturændringer og sammensætningen af ​​selve legeringen.

På denne måde kan parametrene for spektret af strømbærere i materialet styres, hvilket gør det muligt at opnå et materiale med optimale egenskaber og maksimal termoelektrisk værdi.

Se også:Peltier-element - hvordan det virker, og hvordan man tjekker og forbinder