Materiali termoelettrici e metodi per la loro preparazione

I materiali termoelettrici includono composti chimici e leghe metalliche, che sono più o meno pronunciati. proprietà termoelettriche.

A seconda del valore della termo-EMF ottenuta, del punto di fusione, delle caratteristiche meccaniche, nonché della conducibilità elettrica, questi materiali vengono utilizzati nell'industria per tre scopi: per la conversione del calore in elettricità, per il raffreddamento termoelettrico (trasferimento di calore durante il passaggio di corrente elettrica) e anche per misurare la temperatura (in pirometria). La maggior parte di essi sono: solfuri, carburi, ossidi, fosfuri, seleniuri e tellururi.

Quindi nei frigoriferi termoelettrici usano tellururo di bismuto... Il carburo di silicio è più adatto per misurare temperature e c generatori termoelettrici (TEG) Numerosi materiali si sono rivelati utili: tellururo di bismuto, tellururo di germanio, tellururo di antimonio, tellururo di piombo, seleniuro di gadolinio, seleniuro di antimonio, seleniuro di bismuto, monosolfuro di samario, siliciuro di magnesio e stannite di magnesio.

Le proprietà utili di questi materiali sono basate su su due effetti: Seebeck e Peltier… L'effetto Seebeck consiste nella comparsa di termo-EMF alle estremità di fili diversi collegati in serie, i cui contatti sono a temperature diverse.

L'effetto Peltier è l'opposto dell'effetto Seebeck e consiste nel trasferimento di energia termica quando una corrente elettrica attraversa i punti di contatto (giunzioni) di diversi conduttori, da un conduttore all'altro.

In una certa misura questi effetti sono uno da allora la causa dei due fenomeni termoelettrici è legata ad un disturbo dell'equilibrio termico nel flusso del vettore.

Successivamente, diamo un'occhiata a uno dei materiali termoelettrici più popolari e ricercati: il tellururo di bismuto.

È generalmente accettato che i materiali con un intervallo di temperatura di esercizio inferiore a 300 K siano classificati come materiali termoelettrici a bassa temperatura. Un esempio lampante di tale materiale è semplicemente il tellururo di bismuto Bi2Te3. Sulla sua base si ottengono molti composti termoelettrici con caratteristiche diverse.

Il tellururo di bismuto ha una struttura cristallografica romboedrica che include un insieme di strati - quintetti - ad angolo retto rispetto all'asse di simmetria del terzo ordine.

Si presume che il legame chimico Bi-Te sia covalente e il legame Te-Te sia Waanderwal. Per ottenere un certo tipo di conducibilità (elettrone o lacuna), nel materiale di partenza viene introdotto un eccesso di bismuto, tellurio o la sostanza viene legata con impurità come arsenico, stagno, antimonio o piombo (accettori) o donatori: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI .

Le impurità danno una diffusione altamente anisotropica, la sua velocità nella direzione del piano di scissione raggiunge la velocità di diffusione nei liquidi.Sotto l'influenza di un gradiente di temperatura e di un campo elettrico, si osserva il movimento degli ioni di impurità nel tellururo di bismuto.

Per ottenere cristalli singoli, vengono coltivati ​​​​con il metodo della cristallizzazione direzionale (Bridgeman), il metodo Czochralski o la fusione a zona. Le leghe a base di tellururo di bismuto sono caratterizzate da una pronunciata anisotropia della crescita dei cristalli: il tasso di crescita lungo il piano di scissione supera significativamente il tasso di crescita nella direzione perpendicolare a questo piano.

Le termocoppie sono prodotte per pressatura, estrusione o colata continua, mentre i film termoelettrici sono tradizionalmente prodotti per deposizione sottovuoto. Il diagramma di fase per il tellururo di bismuto è mostrato di seguito:

Maggiore è la temperatura, minore è il valore termoelettrico della lega, poiché la conduttività interna inizia a influire, pertanto, ad alte temperature, superiori a 500-600 K, questa gloria non può essere utilizzata semplicemente a causa della ridotta larghezza della zona proibita.

Affinché il valore termoelettrico di Z sia massimo anche a temperature non molto elevate, l'alligazione viene eseguita nel miglior modo possibile in modo che la concentrazione di impurità sia minore, il che garantirebbe una minore conduttività elettrica.

Per prevenire il superraffreddamento della concentrazione (riduzione del valore termoelettrico) nel processo di crescita di un singolo cristallo, vengono utilizzati gradienti di temperatura significativi (fino a 250 K / cm) e una bassa velocità di crescita del cristallo - circa 0,07 mm / min.

Il bismuto e le leghe di bismuto con antimonio alla cristallizzazione danno un reticolo romboedrico che appartiene allo scaleneedro diedro.La cella unitaria del bismuto ha la forma di un romboedro con bordi lunghi 4,74 angstrom.

Gli atomi in un tale reticolo sono disposti in doppi strati, con ciascun atomo che ha tre vicini in un doppio strato e tre in uno strato adiacente. I legami sono covalenti all'interno del doppio strato e van der Waals si lega tra gli strati, determinando una netta anisotropia delle proprietà fisiche dei materiali risultanti.

I cristalli singoli di bismuto possono essere facilmente coltivati ​​mediante ricristallizzazione zonale, metodi Bridgman e Czochralski. L'antimonio con bismuto dà una serie continua di soluzioni solide.

Un monocristallo in lega di bismuto-antimonio viene coltivato tenendo conto delle caratteristiche tecnologiche causate da una differenza significativa tra le linee solidus e liquidus. Quindi il fuso può dare una struttura a mosaico a causa del passaggio a uno stato di superraffreddamento sul fronte di cristallizzazione.

Per prevenire l'ipotermia, ricorrono a un ampio gradiente di temperatura - circa 20 K / cm e un basso tasso di crescita - non più di 0,3 mm / h.

La particolarità dello spettro dei portatori di corrente nel bismuto è che le bande di conduzione e di valenza sono abbastanza vicine. Inoltre, la variazione dei parametri dello spettro è influenzata da: pressione, campo magnetico, impurità, sbalzi di temperatura e composizione della lega stessa.

In questo modo è possibile controllare i parametri dello spettro dei portatori di corrente nel materiale, il che consente di ottenere un materiale con proprietà ottimali e valore termoelettrico massimo.

Guarda anche:Elemento Peltier: come funziona e come controllare e connettere