Thermoelectric na materyales at pamamaraan para sa kanilang paghahanda

Ang mga thermoelectric na materyales ay kinabibilangan ng mga kemikal na compound at metal na haluang metal, na mas marami o hindi gaanong binibigkas. mga katangian ng thermoelectric.

Depende sa halaga ng nakuha na thermo-EMF, sa punto ng pagkatunaw, sa mga mekanikal na katangian, pati na rin sa electrical conductivity, ang mga materyales na ito ay ginagamit sa industriya para sa tatlong layunin: para sa conversion ng init sa kuryente, para sa thermoelectric cooling. (paglilipat ng init kapag dumadaan sa electric current) at para din sukatin ang temperatura (sa pyrometry). Karamihan sa kanila ay: sulfides, carbides, oxides, phosphides, selenides at tellurides.

Kaya sa mga thermoelectric refrigerator ang ginagamit nila bismuth telluride... Ang silicone carbide ay mas angkop para sa pagsukat ng temperatura at c thermoelectric generators (TEG) Ang ilang mga materyales ay natagpuang kapaki-pakinabang: bismuth telluride, germanium telluride, antimony telluride, lead telluride, gadolinium selenide, antimony selenide, bismuth selenide, samarium monosulfide, magnesium silicide, at magnesium stannite.

Ang mga kapaki-pakinabang na katangian ng mga materyales na ito ay batay sa sa dalawang epekto - Seebeck at Peltier… Ang Seebeck effect ay binubuo sa hitsura ng thermo-EMF sa mga dulo ng magkakaibang wire na konektado sa serye, ang mga contact sa pagitan nito ay nasa magkaibang temperatura.

Ang epekto ng Peltier ay ang kabaligtaran ng epekto ng Seebeck at binubuo sa paglipat ng enerhiya ng init kapag ang isang electric current ay dumadaan sa mga contact point (junctions) ng iba't ibang conductor, mula sa isang conductor patungo sa isa pa.

Sa ilang lawak ang mga epektong ito ay iisa mula noon ang sanhi ng dalawang thermoelectric phenomena ay nauugnay sa isang kaguluhan ng thermal equilibrium sa daloy ng carrier.

Susunod, tingnan natin ang isa sa pinakasikat at hinahangad na thermoelectric na materyales — bismuth telluride.

Karaniwang tinatanggap na ang mga materyales na may saklaw na temperatura ng pagpapatakbo sa ibaba 300 K ay inuri bilang mababang temperatura na thermoelectric na materyales. Ang isang kapansin-pansing halimbawa ng naturang materyal ay simpleng bismuth telluride Bi2Te3. Sa batayan nito, maraming mga thermoelectric compound na may iba't ibang mga katangian ang nakuha.

Ang bismuth telluride ay may rhombohedral crystallographic na istraktura na kinabibilangan ng isang set ng mga layer—quintet—sa tamang mga anggulo sa third-order symmetry axis.

Ang Bi-Te chemical bond ay ipinapalagay na covalent at ang Te-Te bond ay Waanderwal. Upang makakuha ng isang tiyak na uri ng conductivity (electron o hole), isang labis na bismuth, tellurium ay ipinapasok sa panimulang materyal o ang sangkap ay pinaghalo ng mga impurities tulad ng arsenic, lata, antimony o lead (acceptors) o mga donor: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI .

Ang mga impurities ay nagbibigay ng isang mataas na anisotropic diffusion, ang bilis nito sa direksyon ng cleavage plane ay umabot sa bilis ng diffusion sa mga likido.Sa ilalim ng impluwensya ng isang gradient ng temperatura at isang electric field, ang paggalaw ng mga impurity ions sa bismuth telluride ay sinusunod.

Upang makakuha ng mga solong kristal, pinalaki ang mga ito sa pamamagitan ng direksyong crystallization (Bridgeman) na paraan, ang Czochralski method, o zone melting. Ang mga haluang metal batay sa bismuth telluride ay nailalarawan sa pamamagitan ng binibigkas na anisotropy ng paglaki ng kristal: ang rate ng paglago sa kahabaan ng cleavage plane ay makabuluhang lumampas sa rate ng paglago sa direksyon na patayo sa eroplanong ito.

Ang mga Thermocouples ay ginagawa sa pamamagitan ng pagpindot, extrusion o tuluy-tuloy na paghahagis, habang ang mga thermoelectric na pelikula ay tradisyonal na ginagawa sa pamamagitan ng vacuum deposition. Ang phase diagram para sa bismuth telluride ay ipinapakita sa ibaba:

Ang mas mataas na temperatura, mas mababa ang thermoelectric na halaga ng haluang metal, dahil ang panloob na kondaktibiti ay nagsisimulang makaapekto. Samakatuwid, sa mataas na temperatura, sa itaas 500-600 K, ang kaluwalhatiang ito ay hindi maaaring gamitin dahil lamang sa maliit na lapad ng ipinagbabawal na zone.

Upang ang thermoelectric na halaga ng Z ay maging pinakamalaki kahit na sa hindi masyadong mataas na temperatura, ang alloying ay ginagawa hangga't maaari upang ang konsentrasyon ng impurity ay mas maliit, na magsisiguro ng mas mababang electrical conductivity.

Upang maiwasan ang supercooling ng konsentrasyon (pagbawas ng halaga ng thermoelectric) sa proseso ng paglaki ng isang kristal, ang mga makabuluhang gradient ng temperatura (hanggang sa 250 K / cm) at isang mababang bilis ng paglaki ng kristal - mga 0.07 mm / min - ay ginagamit.

Ang bismuth at mga haluang metal ng bismuth na may antimony sa crystallization ay nagbibigay ng rhombohedral lattice na kabilang sa dihedral scalenehedron.Ang unit cell ng bismuth ay hugis rhombohedron na may mga gilid na 4.74 angstrom ang haba.

Ang mga atomo sa naturang sala-sala ay nakaayos sa dobleng patong, kung saan ang bawat atom ay mayroong tatlong kapitbahay sa isang dobleng patong at tatlo sa isang katabing patong. Ang mga bono ay covalent sa loob ng bilayer, at ang mga bono ng van der Waals sa pagitan ng mga layer, na nagreresulta sa isang matalim na anisotropy ng mga pisikal na katangian ng mga nagresultang materyales.

Ang mga solong kristal ng Bismuth ay madaling lumaki sa pamamagitan ng zonal recrystallization, Bridgman at Czochralski na mga pamamaraan. Ang antimony na may bismuth ay nagbibigay ng tuluy-tuloy na serye ng mga solidong solusyon.

Ang isang bismuth-antimony alloy na solong kristal ay pinalaki na isinasaalang-alang ang mga teknolohikal na tampok na dulot ng isang makabuluhang pagkakaiba sa pagitan ng solidus at liquidus na mga linya. Kaya ang matunaw ay maaaring magbigay ng isang mosaic na istraktura dahil sa paglipat sa isang supercooled na estado sa harap ng pagkikristal.

Upang maiwasan ang hypothermia, gumamit sila ng isang malaking gradient ng temperatura - mga 20 K / cm at isang mababang rate ng paglago - hindi hihigit sa 0.3 mm / h.

Ang kakaiba ng spectrum ng kasalukuyang mga carrier sa bismuth ay medyo malapit ang conduction at valence bands. Bilang karagdagan, ang pagbabago sa mga parameter ng spectrum ay apektado ng: presyon, magnetic field, mga impurities, mga pagbabago sa temperatura at ang komposisyon ng haluang metal mismo.

Sa ganitong paraan, ang mga parameter ng spectrum ng kasalukuyang mga carrier sa materyal ay maaaring kontrolin, na ginagawang posible upang makakuha ng isang materyal na may pinakamainam na mga katangian at maximum na halaga ng thermoelectric.

Tingnan din:Peltier element - kung paano ito gumagana at kung paano suriin at kumonekta