Thermoelektrische Materialien und Methoden zu ihrer Herstellung

Zu den thermoelektrischen Materialien zählen chemische Verbindungen und Metalllegierungen, die mehr oder weniger stark ausgeprägt sind. thermoelektrische Eigenschaften.

Abhängig vom Wert der erhaltenen Thermo-EMF, vom Schmelzpunkt, von den mechanischen Eigenschaften sowie von der elektrischen Leitfähigkeit werden diese Materialien in der Industrie für drei Zwecke eingesetzt: zur Umwandlung von Wärme in Elektrizität, zur thermoelektrischen Kühlung (Wärmeübertragung beim Durchgang von elektrischem Strom) und auch zur Temperaturmessung (in der Pyrometrie). Die meisten davon sind: Sulfide, Carbide, Oxide, Phosphide, Selenide und Telluride.

Sie verwenden also thermoelektrische Kühlschränke Wismuttellurid... Siliziumkarbid eignet sich besser zur Messung von Temperaturen und c Thermoelektrische Generatoren (TEG) Eine Reihe von Materialien haben sich als nützlich erwiesen: Wismuttellurid, Germaniumtellurid, Antimontellurid, Bleitellurid, Gadoliniumselenid, Antimonselenid, Wismutselenid, Samariummonosulfid, Magnesiumsilizid und Magnesiumstannit.

Die nützlichen Eigenschaften dieser Materialien basieren auf auf zwei Effekten – Seebeck und Peltier… Der Seebeck-Effekt besteht im Auftreten von Thermo-EMF an den Enden verschiedener in Reihe geschalteter Drähte, deren Kontakte unterschiedliche Temperaturen haben.

Der Peltier-Effekt ist das Gegenteil des Seebeck-Effekts und besteht in der Übertragung von Wärmeenergie, wenn ein elektrischer Strom durch die Kontaktpunkte (Übergänge) verschiedener Leiter von einem Leiter zum anderen fließt.

Teilweise sind diese Effekte eins, da Die Ursache der beiden thermoelektrischen Phänomene hängt mit einer Störung des thermischen Gleichgewichts im Trägerstrom zusammen.

Schauen wir uns als Nächstes eines der beliebtesten und gefragtesten thermoelektrischen Materialien an – Wismuttellurid.

Es ist allgemein anerkannt, dass Materialien mit einem Betriebstemperaturbereich unter 300 K als thermoelektrische Niedertemperaturmaterialien klassifiziert werden. Ein markantes Beispiel für ein solches Material ist einfach Wismuttellurid Bi2Te3. Auf seiner Basis werden viele thermoelektrische Verbindungen mit unterschiedlichen Eigenschaften erhalten.

Wismuttellurid hat eine rhomboedrische kristallographische Struktur, die eine Reihe von Schichten – Quintette – im rechten Winkel zur Symmetrieachse dritter Ordnung umfasst.

Es wird angenommen, dass die chemische Bi-Te-Bindung kovalent ist und die Te-Te-Bindung Waanderwal ist. Um eine bestimmte Leitfähigkeitsart (Elektron oder Loch) zu erhalten, wird dem Ausgangsmaterial ein Überschuss an Wismut, Tellur zugesetzt oder der Stoff mit Verunreinigungen wie Arsen, Zinn, Antimon oder Blei (Akzeptoren) oder Donatoren: CuBr legiert , Bi2Te3CuI, B, AgI .

Verunreinigungen führen zu einer stark anisotropen Diffusion, deren Geschwindigkeit in Richtung der Spaltungsebene die Diffusionsgeschwindigkeit in Flüssigkeiten erreicht.Unter dem Einfluss eines Temperaturgradienten und eines elektrischen Feldes wird die Bewegung von Verunreinigungsionen in Wismuttellurid beobachtet.

Um Einkristalle zu erhalten, werden sie nach der gerichteten Kristallisationsmethode (Bridgeman), der Czochralski-Methode oder dem Zonenschmelzen gezüchtet. Legierungen auf Basis von Wismuttellurid zeichnen sich durch eine ausgeprägte Anisotropie des Kristallwachstums aus: Die Wachstumsrate entlang der Spaltungsebene übersteigt die Wachstumsrate in Richtung senkrecht zu dieser Ebene deutlich.

Thermoelemente werden durch Pressen, Extrudieren oder Stranggießen hergestellt, während thermoelektrische Folien traditionell durch Vakuumabscheidung hergestellt werden. Das Phasendiagramm für Wismuttellurid ist unten dargestellt:

Je höher die Temperatur, desto niedriger ist der thermoelektrische Wert der Legierung, da sich die innere Leitfähigkeit zu beeinflussen beginnt. Daher kann dieser Glanz bei hohen Temperaturen über 500–600 K allein aufgrund der geringen Breite der verbotenen Zone nicht verwendet werden.

Damit der thermoelektrische Wert von Z auch bei nicht sehr hohen Temperaturen maximal ist, wird die Legierung so gut wie möglich durchgeführt, sodass die Verunreinigungskonzentration geringer ist, was eine geringere elektrische Leitfähigkeit gewährleisten würde.

Um eine Unterkühlung der Konzentration (Abnahme des thermoelektrischen Wertes) beim Züchten eines Einkristalls zu verhindern, werden erhebliche Temperaturgradienten (bis zu 250 K/cm) und eine niedrige Kristallwachstumsgeschwindigkeit – etwa 0,07 mm/min – verwendet.

Wismut und Legierungen von Wismut mit Antimon ergeben bei der Kristallisation ein rhomboedrisches Gitter, das zum Dieder-Skaleneder gehört.Die Elementarzelle von Wismut hat die Form eines Rhomboeders mit Kanten von 4,74 Angström Länge.

Die Atome in einem solchen Gitter sind in Doppelschichten angeordnet, wobei jedes Atom drei Nachbarn in einer Doppelschicht und drei in einer angrenzenden Schicht hat. Die Bindungen sind innerhalb der Doppelschicht kovalent und zwischen den Schichten bestehen Van-der-Waals-Bindungen, was zu einer starken Anisotropie der physikalischen Eigenschaften der resultierenden Materialien führt.

Wismut-Einkristalle lassen sich leicht durch zonale Rekristallisation, Bridgman- und Czochralski-Methoden züchten. Antimon mit Wismut ergibt eine kontinuierliche Reihe fester Lösungen.

Ein Einkristall aus einer Wismut-Antimon-Legierung wird unter Berücksichtigung der technologischen Merkmale gezüchtet, die durch einen signifikanten Unterschied zwischen den Solidus- und Liquiduslinien verursacht werden. So kann die Schmelze durch den Übergang in einen unterkühlten Zustand an der Kristallisationsfront eine Mosaikstruktur ergeben.

Um einer Unterkühlung vorzubeugen, greifen sie auf einen großen Temperaturgradienten – etwa 20 K/cm – und eine niedrige Wachstumsrate – nicht mehr als 0,3 mm/h – zurück.

Die Besonderheit des Spektrums der Stromträger in Wismut besteht darin, dass die Leitungs- und Valenzbänder ziemlich nahe beieinander liegen. Darüber hinaus wird die Änderung der Spektrumsparameter beeinflusst durch: Druck, Magnetfeld, Verunreinigungen, Temperaturänderungen und die Zusammensetzung der Legierung selbst.

Auf diese Weise können die Parameter des Spektrums der Stromträger im Material gesteuert werden, was es ermöglicht, ein Material mit optimalen Eigenschaften und maximalem thermoelektrischen Wert zu erhalten.

Siehe auch:Peltier-Element – ​​wie es funktioniert und wie man es prüft und anschließt