Termoelektrik malzemeler ve hazırlanma yöntemleri

Termoelektrik malzemeler, az ya da çok belirgin olan kimyasal bileşikleri ve metal alaşımlarını içerir. termoelektrik özellikler.

Elde edilen termo-EMF'nin değerine, erime noktasına, mekanik özelliklere ve elektriksel iletkenliğe bağlı olarak, bu malzemeler endüstride üç amaç için kullanılır: ısının elektriğe dönüştürülmesi, termoelektrik soğutma için (elektrik akımı geçerken ısı transferi) ve ayrıca sıcaklığı ölçmek (pirometride). Çoğu: sülfürler, karbürler, oksitler, fosfitler, selenitler ve tellürler.

Yani kullandıkları termoelektrik buzdolaplarında bizmut tellürit... Silisyum karbür, sıcaklıkları ölçmek için daha uygundur ve c termoelektrik jeneratörler (TEG) Bir dizi malzemenin yararlı olduğu bulunmuştur: bizmut tellür, germanyum tellür, antimon tellür, kurşun tellür, gadolinyum selenid, antimon selenid, bizmut selenid, samaryum monosülfür, magnezyum silisit ve magnezyum stanit.

Bu malzemelerin faydalı özellikleri aşağıdakilere dayanmaktadır: iki etki üzerinde - Seebeck ve Peltier… Seebeck etkisi, kontakları farklı sıcaklıklarda olan seri bağlı farklı tellerin uçlarında termo-EMF görünümünden oluşur.

Peltier etkisi, Seebeck etkisinin zıttıdır ve bir elektrik akımı farklı iletkenlerin temas noktalarından (bağlantı noktalarından) bir iletkenden diğerine geçtiğinde ısı enerjisinin transferinden oluşur.

Bir dereceye kadar bu etkiler birdir çünkü iki termoelektrik fenomenin nedeni, taşıyıcı akışındaki termal dengenin bozulmasıyla ilgilidir.

Ardından, en popüler ve aranan termoelektrik malzemelerden biri olan bizmut telluride bakalım.

Çalışma sıcaklığı aralığı 300 K'nin altında olan malzemelerin düşük sıcaklıklı termoelektrik malzemeler olarak sınıflandırıldığı genel olarak kabul edilmektedir. Böyle bir malzemenin çarpıcı bir örneği, basitçe bizmut tellürit Bi2Te3'tür. Temelinde, farklı özelliklere sahip birçok termoelektrik bileşik elde edilir.

Bizmut tellurid, üçüncü dereceden simetri eksenine dik açılarda bir dizi katman (beşli) içeren eşkenar dörtgen kristalografik bir yapıya sahiptir.

Bi-Te kimyasal bağının kovalent olduğu ve Te-Te bağının Waanderwal olduğu varsayılır. Belirli bir iletkenlik türü (elektron veya delik) elde etmek için, başlangıç ​​malzemesine fazla miktarda bizmut, tellür eklenir veya madde arsenik, kalay, antimon veya kurşun (alıcılar) veya donörler gibi safsızlıklarla alaşımlanır: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI .

Safsızlıklar oldukça anizotropik bir difüzyon verir, bölünme düzlemi yönündeki hızı sıvılardaki difüzyon hızına ulaşır.Bir sıcaklık gradyanı ve bir elektrik alanının etkisi altında, saf olmayan iyonların bizmut tellürde hareketi gözlenir.

Tek kristaller elde etmek için, yönlü kristalleştirme (Bridgeman) yöntemi, Czochralski yöntemi veya bölge eritme ile büyütülürler. Bizmut telluride dayalı alaşımlar, kristal büyümesinin belirgin anizotropisi ile karakterize edilir: bölünme düzlemi boyunca büyüme hızı, bu düzleme dik yöndeki büyüme oranını önemli ölçüde aşar.

Termokupllar presleme, ekstrüzyon veya sürekli döküm ile üretilirken, termoelektrik filmler geleneksel olarak vakum biriktirme ile üretilir. Bizmut tellür için faz diyagramı aşağıda gösterilmiştir:

Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, alaşımın termoelektrik değeri o kadar düşük olur, çünkü iç iletkenlik etkilenmeye başlar.Bu nedenle, 500-600 K'nin üzerindeki yüksek sıcaklıklarda, bu ihtişam, yasak bölgenin küçük genişliği nedeniyle basitçe kullanılamaz.

Z'nin termoelektrik değerinin çok yüksek olmayan sıcaklıklarda bile maksimum olması için, mümkün olduğu kadar safsızlık konsantrasyonu daha küçük olacak şekilde alaşımlama yapılır, bu da daha düşük elektrik iletkenliği sağlar.

Tek bir kristal büyütme sürecinde konsantrasyonun aşırı soğumasını (termoelektrik değerin azalması) önlemek için, önemli sıcaklık gradyanları (250 K / cm'ye kadar) ve düşük bir kristal büyüme hızı - yaklaşık 0,07 mm / dak - kullanılır.

Bizmut ve kristalizasyonda antimonlu bizmut alaşımları, iki yüzlü skalenhedron'a ait olan eşkenar dörtgen bir kafes verir.Bizmutun birim hücresi, kenarları 4.74 angstrom uzunluğunda olan bir eşkenar dörtgen şeklindedir.

Böyle bir kafesteki atomlar, her bir atomun bir çift katmanda üç komşusu ve bitişik bir katmanda üç komşusu olacak şekilde, çift katmanlar halinde düzenlenir. Bağlar, çift tabaka içinde kovalenttir ve tabakalar arasında van der Waals bağları oluşur, bu da ortaya çıkan malzemelerin fiziksel özelliklerinde keskin bir anizotropiye neden olur.

Bizmut tek kristalleri, bölgesel yeniden kristalleştirme, Bridgman ve Czochralski yöntemleri ile kolayca büyütülür. Bizmutlu antimon, sürekli bir dizi katı çözelti verir.

Solidus ve liquidus hatları arasındaki önemli farkın neden olduğu teknolojik özellikler dikkate alınarak bir bizmut-antimon alaşımı tek kristal büyütülür. Böylece eriyik, kristalleşme cephesinde aşırı soğutulmuş bir duruma geçiş nedeniyle mozaik bir yapı verebilir.

Hipotermiyi önlemek için, büyük bir sıcaklık gradyanına - yaklaşık 20 K / cm ve düşük bir büyüme hızına - 0,3 mm / s'den fazla olmayan başvururlar.

Bizmuttaki akım taşıyıcılarının spektrumunun özelliği, iletim ve değerlik bantlarının oldukça yakın olmasıdır. Ek olarak, spektrum parametrelerindeki değişiklik şunlardan etkilenir: basınç, manyetik alan, safsızlıklar, sıcaklık değişiklikleri ve alaşımın kendisinin bileşimi.

Bu şekilde, malzemedeki akım taşıyıcıların spektrumunun parametreleri kontrol edilebilir, bu da optimum özelliklere ve maksimum termoelektrik değere sahip bir malzeme elde etmeyi mümkün kılar.

Ayrıca bakınız:Peltier elemanı - nasıl çalışır ve nasıl kontrol edilir ve bağlanır