Materiały termoelektryczne i metody ich otrzymywania
Materiały termoelektryczne obejmują związki chemiczne i stopy metali, które są mniej lub bardziej wyraźne. właściwości termoelektryczne.
W zależności od wartości otrzymanego termo-EMF, temperatury topnienia, właściwości mechanicznych, a także przewodności elektrycznej, materiały te są wykorzystywane w przemyśle do trzech celów: do zamiany ciepła na energię elektryczną, do chłodzenia termoelektrycznego (przenoszenie ciepła podczas przepuszczania prądu elektrycznego), a także do pomiaru temperatury (w pirometrii). Większość z nich to: siarczki, węgliki, tlenki, fosforki, selenki i tellurki.
Więc w termoelektrycznych lodówkach używają tellurek bizmutu... Węglik krzemu jest bardziej odpowiedni do pomiaru temperatur i c generatory termoelektryczne (TEG) Stwierdzono, że przydatnych jest wiele materiałów: tellurek bizmutu, tellurek germanu, tellurek antymonu, tellurek ołowiu, selenek gadolinu, selenek antymonu, selenek bizmutu, monosiarczek samaru, krzemek magnezu i stannit magnezu.
Użyteczne właściwości tych materiałów są oparte na na dwóch efektach — Seebecka i Peltiera… Efekt Seebecka polega na pojawieniu się termo-EMF na końcach połączonych szeregowo różnych przewodów, których styki mają różne temperatury.
Efekt Peltiera jest przeciwieństwem efektu Seebecka i polega na przekazywaniu energii cieplnej, gdy prąd elektryczny przepływa przez punkty styku (złącza) różnych przewodników, z jednego przewodnika na drugi.
Do pewnego stopnia efekty te są od tego czasu jednym przyczyna obu zjawisk termoelektrycznych związana jest z zaburzeniem równowagi termicznej w przepływie nośnika.
Następnie przyjrzyjmy się jednemu z najpopularniejszych i najbardziej poszukiwanych materiałów termoelektrycznych — tellurkowi bizmutu.
Ogólnie przyjmuje się, że materiały o zakresie temperatur pracy poniżej 300 K są klasyfikowane jako niskotemperaturowe materiały termoelektryczne. Uderzającym przykładem takiego materiału jest po prostu tellurek bizmutu Bi2Te3. Na jego podstawie otrzymuje się wiele związków termoelektrycznych o różnych właściwościach.
Tellurek bizmutu ma romboedryczną strukturę krystalograficzną, która obejmuje zestaw warstw - kwintetów - pod kątem prostym do osi symetrii trzeciego rzędu.
Zakłada się, że wiązanie chemiczne Bi-Te jest kowalencyjne, a wiązanie Te-Te to Waanderwal. W celu uzyskania określonego rodzaju przewodnictwa (elektron lub dziura) do materiału wyjściowego wprowadza się nadmiar bizmutu, telluru lub stopuje substancję z domieszkami takimi jak arsen, cyna, antymon lub ołów (akceptory) lub donorami: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI.
Zanieczyszczenia dają dyfuzję silnie anizotropową, jej prędkość w kierunku płaszczyzny rozszczepienia osiąga prędkość dyfuzji w cieczach.Pod wpływem gradientu temperatury i pola elektrycznego obserwuje się ruch jonów zanieczyszczeń w tellurku bizmutu.
W celu uzyskania monokryształów hoduje się je metodą krystalizacji kierunkowej (Bridgemana), metodą Czochralskiego lub topienia strefowego. Stopy na bazie tellurku bizmutu charakteryzują się wyraźną anizotropią wzrostu kryształów: tempo wzrostu wzdłuż płaszczyzny rozszczepienia znacznie przewyższa tempo wzrostu w kierunku prostopadłym do tej płaszczyzny.
Termopary są wytwarzane przez prasowanie, wytłaczanie lub odlewanie ciągłe, podczas gdy folie termoelektryczne są tradycyjnie wytwarzane przez osadzanie próżniowe. Schemat fazowy tellurku bizmutu pokazano poniżej:
Im wyższa temperatura, tym niższa wartość termoelektryczna stopu, ponieważ przewodnictwo wewnętrzne zaczyna wpływać.Dlatego w wysokich temperaturach, powyżej 500-600 K, ta chwała nie może być używana po prostu ze względu na małą szerokość strefy zabronionej.
Aby wartość termoelektryczna Z była maksymalna nawet w niezbyt wysokich temperaturach, stopowanie odbywa się jak najlepiej, tak aby stężenie zanieczyszczeń było mniejsze, co zapewniłoby mniejsze przewodnictwo elektryczne.
Aby zapobiec przechłodzeniu stężenia (zmniejszeniu wartości termoelektrycznej) w procesie wzrostu monokryształu, stosuje się znaczne gradienty temperatury (do 250 K/cm) i małą prędkość wzrostu kryształów — około 0,07 mm/min.
Bizmut i stopy bizmutu z antymonem podczas krystalizacji dają siatkę romboedryczną należącą do dwuściennego skalenehedronu.Komórka elementarna bizmutu ma kształt romboedru o krawędziach o długości 4,74 angstremów.
Atomy w takiej sieci są ułożone w podwójne warstwy, przy czym każdy atom ma trzech sąsiadów w warstwie podwójnej i trzech w sąsiedniej warstwie. Wiązania są kowalencyjne w dwuwarstwie, a wiązania van der Waalsa między warstwami, co powoduje ostrą anizotropię właściwości fizycznych otrzymanych materiałów.
Monokryształy bizmutu można łatwo hodować metodą strefowej rekrystalizacji, metodą Bridgmana i Czochralskiego. Antymon z bizmutem daje ciągłą serię stałych roztworów.
Monokryształ stopu bizmutu i antymonu jest hodowany z uwzględnieniem cech technologicznych spowodowanych znaczną różnicą między liniami solidusu i likwidusu. Tak więc stop może dać strukturę mozaikową z powodu przejścia do stanu przechłodzenia na froncie krystalizacji.
Aby zapobiec hipotermii, uciekają się do dużego gradientu temperatury - około 20 K / cm i niskiego tempa wzrostu - nie więcej niż 0,3 mm / h.
Osobliwością widma nośników prądu w bizmucie jest to, że pasma przewodnictwa i walencyjne są dość bliskie. Dodatkowo na zmianę parametrów widma mają wpływ: ciśnienie, pole magnetyczne, zanieczyszczenia, zmiany temperatury oraz skład samego stopu.
W ten sposób można sterować parametrami widma nośników prądu w materiale, co umożliwia uzyskanie materiału o optymalnych właściwościach i maksymalnej wartości termoelektrycznej.
Zobacz też:Element Peltiera - jak działa i jak sprawdzić i podłączyć