Vật liệu nhiệt điện và phương pháp điều chế chúng

Vật liệu nhiệt điện bao gồm các hợp chất hóa học và hợp kim kim loại, tính chất này ít nhiều rõ rệt. tính chất nhiệt điện.

Tùy thuộc vào giá trị của EMF nhiệt thu được, điểm nóng chảy, đặc tính cơ học, cũng như độ dẫn điện, các vật liệu này được sử dụng trong công nghiệp cho ba mục đích: để chuyển đổi nhiệt thành điện, để làm mát nhiệt điện. (truyền nhiệt khi có dòng điện chạy qua) và cũng để đo nhiệt độ (trong phép đo nhiệt độ). Hầu hết chúng là: sunfua, cacbua, oxit, photphua, selenua và telua.

Vì vậy trong tủ lạnh nhiệt điện họ sử dụng bismuth telua... Cacbua silic phù hợp hơn để đo nhiệt độ và c máy phát nhiệt điện (TEG) Một số vật liệu đã được phát hiện là hữu ích: bismuth Telluride, germanium Telluride, antimony Telluride, chì Telluride, gadolinium selenide, antimon selenide, bismuth selenide, samarium monosulfide, magie silicide và magie stannit.

Các tính chất hữu ích của các vật liệu này được dựa trên trên hai hiệu ứng — Seebeck và Peltier… Hiệu ứng Seebeck bao gồm sự xuất hiện của EMF nhiệt ở các đầu của các dây khác nhau được kết nối nối tiếp, các điểm tiếp xúc giữa chúng ở các nhiệt độ khác nhau.

Hiệu ứng Peltier ngược lại với hiệu ứng Seebeck và bao gồm sự truyền năng lượng nhiệt khi dòng điện đi qua các điểm tiếp xúc (điểm nối) của các dây dẫn khác nhau, từ dây dẫn này sang dây dẫn khác.

Ở một mức độ nào đó, những hiệu ứng này là một vì nguyên nhân của hai hiện tượng nhiệt điện có liên quan đến sự xáo trộn cân bằng nhiệt trong dòng chất mang.

Tiếp theo, chúng ta hãy xem xét một trong những vật liệu nhiệt điện phổ biến và được tìm kiếm nhiều nhất - bismuth Telluride.

Người ta thường chấp nhận rằng các vật liệu có dải nhiệt độ hoạt động dưới 300 K được phân loại là vật liệu nhiệt điện nhiệt độ thấp. Một ví dụ nổi bật về vật liệu như vậy chỉ đơn giản là bismuth Telluride Bi2Te3. Trên cơ sở của nó, thu được nhiều hợp chất nhiệt điện với các đặc tính khác nhau.

Bismuth Telluride có cấu trúc tinh thể hình thoi bao gồm một tập hợp các lớp—bộ năm—ở các góc vuông với trục đối xứng bậc ba.

Liên kết hóa học Bi-Te được coi là cộng hóa trị và liên kết Te-Te là Waanderwal. Để có được một loại độ dẫn nhất định (electron hoặc lỗ trống), lượng dư bismuth, Tellurium được đưa vào nguyên liệu ban đầu hoặc chất này được tạo hợp kim với các tạp chất như asen, thiếc, antimon hoặc chì (chất nhận) hoặc chất cho: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI .

Các tạp chất tạo ra sự khuếch tán dị hướng cao, tốc độ của nó theo hướng của mặt phẳng phân cắt đạt đến tốc độ khuếch tán trong chất lỏng.Dưới ảnh hưởng của gradient nhiệt độ và điện trường, người ta quan sát thấy sự chuyển động của các ion tạp chất trong bismuth Telluride.

Để thu được các tinh thể đơn lẻ, chúng được phát triển bằng phương pháp kết tinh định hướng (Bridgeman), phương pháp Czochralski hoặc nóng chảy vùng. Các hợp kim dựa trên bismuth Telluride được đặc trưng bởi sự bất đẳng hướng rõ rệt của sự phát triển tinh thể: tốc độ tăng trưởng dọc theo mặt phẳng phân cắt vượt quá đáng kể tốc độ tăng trưởng theo hướng vuông góc với mặt phẳng này.

Cặp nhiệt điện được sản xuất bằng cách ép, ép đùn hoặc đúc liên tục, trong khi màng nhiệt điện được sản xuất theo cách truyền thống bằng cách lắng đọng chân không. Sơ đồ pha cho bismuth Telluride được hiển thị bên dưới:

Nhiệt độ càng cao, giá trị nhiệt điện của hợp kim càng thấp, do độ dẫn điện bên trong bắt đầu ảnh hưởng, do đó, ở nhiệt độ cao, trên 500-600 K, vinh quang này không thể được sử dụng đơn giản vì chiều rộng của vùng cấm nhỏ.

Để giá trị nhiệt điện của Z đạt cực đại ngay cả ở nhiệt độ không quá cao, quá trình hợp kim hóa được thực hiện tốt nhất có thể để nồng độ tạp chất nhỏ hơn, điều này sẽ đảm bảo độ dẫn điện thấp hơn.

Để ngăn chặn quá trình làm lạnh nồng độ (giảm giá trị nhiệt điện) trong quá trình phát triển một tinh thể, độ dốc nhiệt độ đáng kể (lên đến 250 K / cm) và tốc độ phát triển tinh thể thấp - khoảng 0,07 mm / phút - được sử dụng.

Bismuth và các hợp kim của bismuth với antimon khi kết tinh tạo ra một mạng hình thoi thuộc về khối nhị diện.Ô đơn vị của bismuth có hình dạng như một khối thoi với các cạnh dài 4,74 angstrom.

Các nguyên tử trong một mạng như vậy được sắp xếp thành các lớp kép, trong đó mỗi nguyên tử có ba nguyên tử lân cận trong một lớp kép và ba nguyên tử trong một lớp liền kề. Các liên kết là cộng hóa trị bên trong lớp kép, và liên kết van der Waals giữa các lớp, dẫn đến tính dị hướng mạnh của các tính chất vật lý của vật liệu thu được.

Bismuth đơn tinh thể dễ dàng phát triển bằng phương pháp kết tinh lại theo đới, Bridgman và Czochralski. Antimon với bitmut tạo ra một dãy dung dịch rắn liên tục.

Một tinh thể đơn hợp kim bismuth-antimon được phát triển có tính đến các tính năng công nghệ gây ra bởi sự khác biệt đáng kể giữa các dòng chất rắn và chất lỏng. Vì vậy, sự tan chảy có thể tạo ra cấu trúc khảm do quá trình chuyển đổi sang trạng thái siêu lạnh ở mặt trước kết tinh.

Để ngăn ngừa hạ thân nhiệt, họ sử dụng gradient nhiệt độ lớn — khoảng 20 K / cm và tốc độ tăng trưởng thấp — không quá 0,3 mm / h.

Điểm đặc biệt của phổ của các hạt tải điện hiện tại trong bismuth là các dải dẫn và hóa trị khá gần nhau. Ngoài ra, sự thay đổi các thông số quang phổ còn bị ảnh hưởng bởi: áp suất, từ trường, tạp chất, sự thay đổi nhiệt độ và bản thân thành phần của hợp kim.

Bằng cách này, có thể kiểm soát các thông số về phổ của các chất mang dòng điện trong vật liệu, giúp thu được vật liệu có các đặc tính tối ưu và giá trị nhiệt điện cực đại.

Xem thêm:Phần tử Peltier - cách thức hoạt động và cách kiểm tra và kết nối