Θερμοηλεκτρικά υλικά και μέθοδοι παρασκευής τους

Τα θερμοηλεκτρικά υλικά περιλαμβάνουν χημικές ενώσεις και κράματα μετάλλων, τα οποία είναι περισσότερο ή λιγότερο έντονα. θερμοηλεκτρικές ιδιότητες.

Ανάλογα με την τιμή του λαμβανόμενου θερμο-EMF, το σημείο τήξης, τα μηχανικά χαρακτηριστικά, καθώς και την ηλεκτρική αγωγιμότητα, αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία για τρεις σκοπούς: για τη μετατροπή της θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια, για τη θερμοηλεκτρική ψύξη (μεταφορά θερμότητας κατά τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος) και επίσης για μέτρηση θερμοκρασίας (σε πυρομετρία). Τα περισσότερα από αυτά είναι: σουλφίδια, καρβίδια, οξείδια, φωσφίδια, σεληνίδια και τελουρίδια.

Έτσι στα θερμοηλεκτρικά ψυγεία χρησιμοποιούν τελλουρίδιο βισμούθου... Το καρβίδιο του πυριτίου είναι πιο κατάλληλο για τη μέτρηση θερμοκρασιών και γ θερμοηλεκτρικές γεννήτριες (TEG) Ένας αριθμός υλικών έχει βρεθεί ότι είναι χρήσιμος: τελλουρίδιο βισμούθου, τελλουρίδιο γερμανίου, τελλουρίδιο αντιμονίου, τελλουρίδιο μολύβδου, σεληνιούχο γαδολίνιο, σεληνιούχο αντιμόνιο, σεληνιούχο βισμούθιο, μονοσουλφίδιο σαμαρίου, πυριτικό μαγνήσιο και κασσιτερικό μαγνήσιο.

Οι χρήσιμες ιδιότητες αυτών των υλικών βασίζονται σε σε δύο εφέ — Seebeck και Peltier… Το φαινόμενο Seebeck συνίσταται στην εμφάνιση θερμο-EMF στα άκρα διαφορετικών συρμάτων που συνδέονται σε σειρά, οι επαφές μεταξύ των οποίων βρίσκονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες.

Το φαινόμενο Peltier είναι το αντίθετο από το φαινόμενο Seebeck και συνίσταται στη μεταφορά θερμικής ενέργειας όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από τα σημεία επαφής (ενώσεις) διαφορετικών αγωγών, από τον έναν αγωγό στον άλλο.

Σε κάποιο βαθμό αυτές οι επιπτώσεις είναι μία από τότε η αιτία των δύο θερμοηλεκτρικών φαινομένων σχετίζεται με διαταραχή της θερμικής ισορροπίας στη ροή του φορέα.

Στη συνέχεια, ας δούμε ένα από τα πιο δημοφιλή και περιζήτητα θερμοηλεκτρικά υλικά - το τελλουρίδιο βισμούθου.

Είναι γενικά αποδεκτό ότι τα υλικά με εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας κάτω των 300 K ταξινομούνται ως θερμοηλεκτρικά υλικά χαμηλής θερμοκρασίας. Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα τέτοιου υλικού είναι απλώς το τελλουρίδιο του βισμούθιου Bi2Te3. Στη βάση του, λαμβάνονται πολλές θερμοηλεκτρικές ενώσεις με διαφορετικά χαρακτηριστικά.

Το τελλουρίδιο του βισμούθου έχει μια ρομβοεδρική κρυσταλλογραφική δομή που περιλαμβάνει ένα σύνολο στρωμάτων —πεντάδες— σε ορθή γωνία προς τον άξονα συμμετρίας τρίτης τάξης.

Ο χημικός δεσμός Bi-Te υποτίθεται ότι είναι ομοιοπολικός και ο δεσμός Te-Te είναι Waanderwal. Προκειμένου να επιτευχθεί ένας συγκεκριμένος τύπος αγωγιμότητας (ηλεκτρόνιο ή οπή), μια περίσσεια βισμούθιου, τελλούριο εισάγεται στην αρχική ύλη ή η ουσία κραματώνεται με ακαθαρσίες όπως αρσενικό, κασσίτερο, αντιμόνιο ή μόλυβδο (δέκτες) ή δότες: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI .

Οι ακαθαρσίες δίνουν μια εξαιρετικά ανισότροπη διάχυση, η ταχύτητά της προς την κατεύθυνση του επιπέδου διάσπασης φτάνει την ταχύτητα της διάχυσης στα υγρά.Υπό την επίδραση μιας βαθμίδας θερμοκρασίας και ενός ηλεκτρικού πεδίου, παρατηρείται κίνηση ιόντων ακαθαρσίας στο τελλουρίδιο του βισμούθιου.

Για να ληφθούν μονοκρυστάλλοι, αναπτύσσονται με τη μέθοδο της κατευθυντικής κρυστάλλωσης (Bridgeman), τη μέθοδο Czochralski ή την τήξη ζώνης. Τα κράματα με βάση το τελλουρίδιο του βισμούθιου χαρακτηρίζονται από έντονη ανισοτροπία της κρυσταλλικής ανάπτυξης: ο ρυθμός ανάπτυξης κατά μήκος του επιπέδου διάσπασης υπερβαίνει σημαντικά τον ρυθμό ανάπτυξης προς την κατεύθυνση κάθετη σε αυτό το επίπεδο.

Τα θερμοστοιχεία παράγονται με συμπίεση, εξώθηση ή συνεχή χύτευση, ενώ τα θερμοηλεκτρικά φιλμ παράγονται παραδοσιακά με εναπόθεση κενού. Το διάγραμμα φάσης για το τελλουρίδιο του βισμούθιου φαίνεται παρακάτω:

Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοηλεκτρική αξία του κράματος, αφού η εσωτερική αγωγιμότητα αρχίζει να επηρεάζει. Επομένως, σε υψηλές θερμοκρασίες, πάνω από 500-600 K, αυτή η δόξα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί απλώς και μόνο λόγω του μικρού πλάτους της απαγορευμένης ζώνης.

Προκειμένου η θερμοηλεκτρική τιμή του Ζ να είναι μέγιστη ακόμη και σε όχι πολύ υψηλές θερμοκρασίες, η κράμα γίνεται όσο το δυνατόν καλύτερα ώστε η συγκέντρωση ακαθαρσιών να είναι μικρότερη, γεγονός που θα εξασφάλιζε χαμηλότερη ηλεκτρική αγωγιμότητα.

Για να αποφευχθεί η υπερψύξη της συγκέντρωσης (μείωση της θερμοηλεκτρικής τιμής) στη διαδικασία ανάπτυξης ενός κρυστάλλου, χρησιμοποιούνται σημαντικές διαβαθμίσεις θερμοκρασίας (έως 250 K / cm) και χαμηλή ταχύτητα ανάπτυξης κρυστάλλων - περίπου 0,07 mm / min.

Το βισμούθιο και τα κράματα του βισμούθιου με αντιμόνιο κατά την κρυστάλλωση δίνουν ένα ρομβοεδρικό πλέγμα που ανήκει στο διεδρικό σκαλένεδρο.Το μοναδιαίο κύτταρο του βισμούθου έχει σχήμα ρομβοέδρου με άκρες μήκους 4,74 angstroms.

Τα άτομα σε ένα τέτοιο πλέγμα είναι διατεταγμένα σε διπλά στρώματα, με κάθε άτομο να έχει τρεις γείτονες σε ένα διπλό στρώμα και τρεις σε ένα διπλανό στρώμα. Οι δεσμοί είναι ομοιοπολικοί εντός της διπλής στιβάδας και οι δεσμοί van der Waals μεταξύ των στρωμάτων, με αποτέλεσμα μια απότομη ανισοτροπία των φυσικών ιδιοτήτων των υλικών που προκύπτουν.

Οι μονοκρυστάλλοι βισμούθου αναπτύσσονται εύκολα με ζωνική ανακρυστάλλωση, μεθόδους Bridgman και Czochralski. Το αντιμόνιο με βισμούθιο δίνει μια συνεχή σειρά στερεών διαλυμάτων.

Ένας μονοκρύσταλλος από κράμα βισμούθου-αντιμονίου αναπτύσσεται λαμβάνοντας υπόψη τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά που προκαλούνται από μια σημαντική διαφορά μεταξύ των γραμμών solidus και liquidus. Έτσι το τήγμα μπορεί να δώσει μια δομή μωσαϊκού λόγω της μετάβασης σε μια υπερψυγμένη κατάσταση στο μέτωπο κρυστάλλωσης.

Για να αποτρέψουν την υποθερμία, καταφεύγουν σε μεγάλη διαβάθμιση θερμοκρασίας - περίπου 20 K / cm και χαμηλό ρυθμό ανάπτυξης - όχι περισσότερο από 0,3 mm / h.

Η ιδιαιτερότητα του φάσματος των φορέων ρεύματος στο βισμούθιο είναι ότι οι ζώνες αγωγιμότητας και σθένους είναι αρκετά κοντινές. Επιπλέον, η αλλαγή στις παραμέτρους του φάσματος επηρεάζεται από: πίεση, μαγνητικό πεδίο, ακαθαρσίες, αλλαγές θερμοκρασίας και τη σύνθεση του ίδιου του κράματος.

Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να ελέγχονται οι παράμετροι του φάσματος των φορέων ρεύματος στο υλικό, γεγονός που καθιστά δυνατή τη λήψη ενός υλικού με βέλτιστες ιδιότητες και μέγιστη θερμοηλεκτρική τιμή.

Δείτε επίσης:Στοιχείο Peltier - πώς λειτουργεί και πώς γίνεται έλεγχος και σύνδεση