Thermo-elektrische materialen en methoden voor hun bereiding

Thermo-elektrische materialen omvatten chemische verbindingen en metaallegeringen, die min of meer uitgesproken zijn. thermo-elektrische eigenschappen.

Afhankelijk van de waarde van de verkregen thermo-EMF, het smeltpunt, de mechanische eigenschappen en de elektrische geleidbaarheid, worden deze materialen in de industrie voor drie doeleinden gebruikt: voor de omzetting van warmte in elektriciteit, voor thermo-elektrische koeling (warmteoverdracht bij het passeren van elektrische stroom) en ook om temperatuur te meten (in pyrometrie). De meeste zijn: sulfiden, carbiden, oxiden, fosfiden, seleniden en telluriden.

Dus in thermo-elektrische koelkasten die ze gebruiken bismut telluride... Siliciumcarbide is meer geschikt voor het meten van temperaturen en c thermo-elektrische generatoren (TEG) Een aantal materialen zijn nuttig gebleken: bismuttelluride, germaniumtelluride, antimoontelluride, loodtelluride, gadoliniumselenide, antimoonselenide, bismutselenide, samariummonosulfide, magnesiumsilicide en magnesiumstanniet.

De bruikbare eigenschappen van deze materialen zijn gebaseerd op op twee effecten - Seebeck en Peltier… Het Seebeck-effect bestaat uit het verschijnen van thermo-EMF aan de uiteinden van in serie geschakelde verschillende draden, waarvan de contacten verschillende temperaturen hebben.

Het Peltier-effect is het tegenovergestelde van het Seebeck-effect en bestaat uit de overdracht van warmte-energie wanneer een elektrische stroom door de contactpunten (knooppunten) van verschillende geleiders gaat, van de ene geleider naar de andere.

Tot op zekere hoogte zijn deze effecten één sinds de oorzaak van de twee thermo-elektrische verschijnselen houdt verband met een verstoring van het thermisch evenwicht in de dragerstroom.

Laten we vervolgens eens kijken naar een van de meest populaire en gewilde thermo-elektrische materialen: bismuttelluride.

Het is algemeen aanvaard dat materialen met een bedrijfstemperatuurbereik van minder dan 300 K worden geclassificeerd als thermo-elektrische materialen met lage temperatuur. Een treffend voorbeeld van zo'n materiaal is simpelweg bismuttelluride Bi2Te3. Op basis daarvan worden veel thermo-elektrische verbindingen met verschillende kenmerken verkregen.

Bismuttelluride heeft een romboëdrische kristallografische structuur die een reeks lagen - kwintetten - omvat die loodrecht op de symmetrieas van de derde orde staan.

Aangenomen wordt dat de Bi-Te chemische binding covalent is en de Te-Te binding Waanderwal. Om een ​​bepaald type geleidbaarheid (elektron of gat) te verkrijgen, wordt een overmaat aan bismut, tellurium in het uitgangsmateriaal gebracht of wordt de stof gelegeerd met onzuiverheden zoals arseen, tin, antimoon of lood (acceptoren) of donoren: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI .

Onzuiverheden geven een sterk anisotrope diffusie, de snelheid in de richting van het splitsingsvlak bereikt de diffusiesnelheid in vloeistoffen.Onder invloed van een temperatuurgradiënt en een elektrisch veld wordt beweging van onzuiverheidsionen in bismuttelluride waargenomen.

Om enkele kristallen te verkrijgen, worden ze gegroeid door middel van de directionele kristallisatiemethode (Bridgeman), de Czochralski-methode of zonesmelting. Legeringen op basis van bismuttelluride worden gekenmerkt door uitgesproken anisotropie van kristalgroei: de groeisnelheid langs het splitsingsvlak is aanzienlijk hoger dan de groeisnelheid in de richting loodrecht op dit vlak.

Thermokoppels worden geproduceerd door persen, extrusie of continugieten, terwijl thermo-elektrische films traditioneel worden geproduceerd door vacuümdepositie. Het fasediagram voor bismuttelluride wordt hieronder weergegeven:

Hoe hoger de temperatuur, hoe lager de thermo-elektrische waarde van de legering, aangezien de interne geleidbaarheid begint te beïnvloeden.Daarom kan deze glorie bij hoge temperaturen, boven 500-600 K, niet alleen worden gebruikt vanwege de kleine breedte van de verboden zone.

Om ervoor te zorgen dat de thermo-elektrische waarde van Z ook bij niet erg hoge temperaturen maximaal is, wordt zo goed mogelijk gelegeerd zodat de onzuiverheidsconcentratie kleiner is, wat zou zorgen voor een lagere elektrische geleidbaarheid.

Om onderkoeling van de concentratie (vermindering van de thermo-elektrische waarde) tijdens het groeien van een enkel kristal te voorkomen, worden aanzienlijke temperatuurgradiënten (tot 250 K / cm) en een lage snelheid van kristalgroei - ongeveer 0,07 mm / min - gebruikt.

Bismut en legeringen van bismut met antimoon geven bij kristallisatie een romboëdrisch rooster dat behoort tot het tweevlaksvlak.De eenheidscel van bismut heeft de vorm van een romboëder met randen van 4,74 angström lang.

De atomen in zo'n rooster zijn gerangschikt in dubbele lagen, waarbij elk atoom drie buren heeft in een dubbele laag en drie in een aangrenzende laag. De bindingen zijn covalent binnen de dubbellaag en van der Waals-bindingen tussen de lagen, wat resulteert in een scherpe anisotropie van de fysische eigenschappen van de resulterende materialen.

Bismut enkele kristallen worden gemakkelijk gekweekt door zonale herkristallisatie, Bridgman- en Czochralski-methoden. Antimoon met bismut geeft een continue reeks vaste oplossingen.

Een monokristal van een bismut-antimoonlegering wordt gegroeid, rekening houdend met de technologische kenmerken die worden veroorzaakt door een aanzienlijk verschil tussen de solidus- en liquiduslijnen. De smelt kan dus een mozaïekstructuur geven door de overgang naar een onderkoelde toestand aan het kristallisatiefront.

Om onderkoeling te voorkomen, nemen ze hun toevlucht tot een grote temperatuurgradiënt - ongeveer 20 K / cm en een lage groeisnelheid - niet meer dan 0,3 mm / uur.

De eigenaardigheid van het spectrum van stroomdragers in bismut is dat de geleidings- en valentiebanden vrij dicht bij elkaar liggen. Bovendien wordt de verandering in spectrumparameters beïnvloed door: druk, magnetisch veld, onzuiverheden, temperatuurveranderingen en de samenstelling van de legering zelf.

Op deze manier kunnen de parameters van het spectrum van stroomdragers in het materiaal worden gecontroleerd, wat het mogelijk maakt een materiaal te verkrijgen met optimale eigenschappen en maximale thermo-elektrische waarde.

Zie ook:Peltier-element - hoe het werkt en hoe te controleren en aan te sluiten