Bahan termoelektrik dan kaedah penyediaannya

Bahan termoelektrik termasuk sebatian kimia dan aloi logam, yang lebih kurang jelas. sifat termoelektrik.

Bergantung pada nilai termo-EMF yang diperoleh, pada takat lebur, pada ciri mekanikal, serta pada kekonduksian elektrik, bahan-bahan ini digunakan dalam industri untuk tiga tujuan: untuk penukaran haba kepada elektrik, untuk penyejukan termoelektrik (pemindahan haba apabila melalui arus elektrik) dan juga untuk mengukur suhu (dalam pyrometry). Kebanyakannya ialah: sulfida, karbida, oksida, fosfida, selenida dan telurida.

Jadi dalam peti sejuk termoelektrik mereka gunakan bismut telluride... Silikon karbida lebih sesuai untuk mengukur suhu dan c penjana termoelektrik (TEG) Beberapa bahan telah didapati berguna: telluride bismut, telluride germanium, telluride antimoni, telluride plumbum, gadolinium selenide, selenide antimoni, bismut selenide, samarium monosulfide, magnesium silicide, dan magnesium stannite.

Ciri-ciri berguna bahan-bahan ini adalah berdasarkan pada dua kesan — Seebeck dan Peltier… Kesan Seebeck terdiri daripada penampilan termo-EMF pada hujung wayar berbeza yang disambungkan secara bersiri, sesentuh di antaranya berada pada suhu yang berbeza.

Kesan Peltier adalah bertentangan dengan kesan Seebeck dan terdiri daripada pemindahan tenaga haba apabila arus elektrik melalui titik sentuhan (simpang) konduktor yang berbeza, dari satu konduktor ke konduktor yang lain.

Sedikit sebanyak kesan ini adalah satu sejak itu punca dua fenomena termoelektrik adalah berkaitan dengan gangguan keseimbangan terma dalam aliran pembawa.

Seterusnya, mari kita lihat salah satu bahan termoelektrik yang paling popular dan dicari - bismut telluride.

Secara amnya diterima bahawa bahan dengan julat suhu operasi di bawah 300 K dikelaskan sebagai bahan termoelektrik suhu rendah. Contoh yang ketara bagi bahan sedemikian ialah bismut telluride Bi2Te3. Atas dasarnya, banyak sebatian termoelektrik dengan ciri yang berbeza diperolehi.

Bismut telluride mempunyai struktur kristalografi rhombohedral yang merangkumi satu set lapisan—kuintet—pada sudut tepat kepada paksi simetri tertib ketiga.

Ikatan kimia Bi-Te diandaikan sebagai kovalen dan ikatan Te-Te ialah Waanderwal. Untuk mendapatkan jenis kekonduksian tertentu (elektron atau lubang), lebihan bismut, telurium dimasukkan ke dalam bahan permulaan atau bahan dialoi dengan bendasing seperti arsenik, timah, antimoni atau plumbum (penerima) atau penderma: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI .

Kekotoran memberikan resapan anisotropik yang tinggi, kelajuannya ke arah satah belahan mencapai kelajuan resapan dalam cecair.Di bawah pengaruh kecerunan suhu dan medan elektrik, pergerakan ion kekotoran dalam telluride bismut diperhatikan.

Untuk mendapatkan kristal tunggal, ia ditanam dengan kaedah penghabluran arah (Bridgeman), kaedah Czochralski, atau lebur zon. Aloi berdasarkan telluride bismut dicirikan oleh anisotropi pertumbuhan kristal yang ketara: kadar pertumbuhan sepanjang satah belahan dengan ketara melebihi kadar pertumbuhan dalam arah yang berserenjang dengan satah ini.

Termokopel dihasilkan dengan menekan, penyemperitan atau tuangan berterusan, manakala filem termoelektrik secara tradisinya dihasilkan melalui pemendapan vakum. Gambar rajah fasa untuk telluride bismut ditunjukkan di bawah:

Semakin tinggi suhu, semakin rendah nilai termoelektrik aloi, kerana kekonduksian dalaman mula menjejaskan.Oleh itu, pada suhu tinggi, di atas 500-600 K, kemuliaan ini tidak boleh digunakan hanya kerana lebar kecil zon terlarang.

Agar nilai termoelektrik Z menjadi maksimum walaupun pada suhu yang tidak terlalu tinggi, pengaloian dilakukan dengan sebaik mungkin supaya kepekatan kekotoran adalah lebih kecil, yang akan memastikan kekonduksian elektrik yang lebih rendah.

Untuk mengelakkan penyejukan super kepekatan (pengurangan nilai termoelektrik) dalam proses mengembangkan kristal tunggal, kecerunan suhu yang ketara (sehingga 250 K / cm) dan kelajuan rendah pertumbuhan kristal - kira-kira 0.07 mm / min - digunakan.

Bismut dan aloi bismut dengan antimoni pada penghabluran memberikan kekisi rombohedral yang tergolong dalam skalanehedron dihedral.Sel unit bismut berbentuk seperti rombohedron dengan tepi 4.74 angstrom panjang.

Atom-atom dalam kekisi sedemikian disusun dalam dua lapisan, dengan setiap atom mempunyai tiga jiran dalam lapisan berganda dan tiga dalam lapisan bersebelahan. Ikatan adalah kovalen dalam dwilapisan, dan ikatan van der Waals antara lapisan, menghasilkan anisotropi tajam sifat fizikal bahan yang terhasil.

Kristal tunggal bismut mudah ditanam dengan penghabluran semula zon, kaedah Bridgman dan Czochralski. Antimoni dengan bismut memberikan siri penyelesaian pepejal yang berterusan.

Kristal tunggal aloi bismut-antimoni ditanam dengan mengambil kira ciri teknologi yang disebabkan oleh perbezaan ketara antara garisan solidus dan liquidus. Jadi leburan boleh memberikan struktur mozek kerana peralihan kepada keadaan supercooled di hadapan penghabluran.

Untuk mengelakkan hipotermia, mereka menggunakan kecerunan suhu yang besar - kira-kira 20 K / cm dan kadar pertumbuhan yang rendah - tidak lebih daripada 0.3 mm / j.

Keistimewaan spektrum pembawa semasa dalam bismut ialah jalur pengaliran dan valens agak rapat. Di samping itu, perubahan dalam parameter spektrum dipengaruhi oleh: tekanan, medan magnet, kekotoran, perubahan suhu dan komposisi aloi itu sendiri.

Dengan cara ini, parameter spektrum pembawa semasa dalam bahan boleh dikawal, yang memungkinkan untuk mendapatkan bahan dengan sifat optimum dan nilai termoelektrik maksimum.

Lihat juga:Elemen Peltier - cara ia berfungsi dan cara menyemak dan menyambung