วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกและวิธีการเตรียม

วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกรวมถึงสารประกอบทางเคมีและโลหะผสมซึ่งมีความเด่นชัดมากหรือน้อย คุณสมบัติของเทอร์โมอิเล็กทริก.

ขึ้นอยู่กับค่าของเทอร์โม-EMF ที่ได้รับ จุดหลอมเหลว ลักษณะทางกล เช่นเดียวกับการนำไฟฟ้า วัสดุเหล่านี้ใช้ในอุตสาหกรรมเพื่อวัตถุประสงค์สามประการ: สำหรับการแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้า สำหรับระบายความร้อนด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก (ถ่ายเทความร้อนเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้า) และยังวัดอุณหภูมิ (ใน pyrometry) ส่วนใหญ่เป็นซัลไฟด์ คาร์ไบด์ ออกไซด์ ฟอสไฟด์ เซเลไนด์ และเทลลูไรด์

ดังนั้นในตู้เย็นเทอร์โมอิเล็กทริกจึงใช้ บิสมัทเทลลูไรด์... ซิลิกอนคาร์ไบด์เหมาะสำหรับการวัดอุณหภูมิและค เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก (TEG) พบวัสดุหลายชนิดที่มีประโยชน์: บิสมัทเทลลูไรด์, เจอร์เมเนียมเทลลูไรด์, พลวงเทลลูไรด์, ตะกั่วเทลลูไรด์, แกโดลิเนียมซีลีไนด์, พลวงซีลีไนด์, บิสมัทซีลีไนด์, ซาแมเรียมโมโนซัลไฟด์, แมกนีเซียมซิลิไซด์ และแมกนีเซียมสแตนไนต์

คุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ของวัสดุเหล่านี้ขึ้นอยู่กับ ในสองเอฟเฟกต์ — Seebeck และ Peltier… เอฟเฟ็กต์ Seebeck ประกอบด้วยลักษณะของเทอร์โม-EMF ที่ส่วนปลายของสายไฟต่างๆ ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม ซึ่งเป็นหน้าสัมผัสระหว่างกันซึ่งมีอุณหภูมิต่างกัน

เอฟเฟกต์ Peltier นั้นตรงกันข้ามกับเอฟเฟกต์ Seebeck และประกอบด้วยการถ่ายโอนพลังงานความร้อนเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านจุดสัมผัส (ทางแยก) ของตัวนำต่าง ๆ จากตัวนำหนึ่งไปยังอีกอันหนึ่ง

ในระดับหนึ่งผลกระทบเหล่านี้เป็นหนึ่งเดียวตั้งแต่นั้นมา สาเหตุของปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริกทั้งสองเกี่ยวข้องกับการรบกวนสมดุลทางความร้อนในการไหลของพาหะ

ต่อไป มาดูหนึ่งในวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่ได้รับความนิยมและเป็นที่ต้องการมากที่สุด นั่นคือ บิสมัทเทลลูไรด์

เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าวัสดุที่มีช่วงอุณหภูมิในการทำงานต่ำกว่า 300 K จัดอยู่ในประเภทวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกที่มีอุณหภูมิต่ำ ตัวอย่างที่โดดเด่นของวัสดุดังกล่าวคือบิสมัทเทลลูไรด์ Bi2Te3 โดยพื้นฐานแล้วจะได้สารประกอบเทอร์โมอิเล็กตริกจำนวนมากที่มีลักษณะแตกต่างกัน

บิสมัทเทลลูไรด์มีโครงสร้างผลึกศาสตร์รูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนซึ่งประกอบด้วยชุดของชั้น—ควินเตต—ที่มุมฉากกับแกนสมมาตรอันดับสาม

พันธะเคมี Bi-Te เป็นพันธะโควาเลนต์และพันธะ Te-Te คือ Waanderwal เพื่อให้ได้ค่าการนำไฟฟ้าบางประเภท (อิเล็กตรอนหรือรู) จะมีการใส่บิสมัท เทลลูเรียมส่วนเกินเข้าไปในวัสดุตั้งต้น หรือสารจะเจือด้วยสิ่งเจือปน เช่น สารหนู ดีบุก พลวง หรือตะกั่ว (ตัวรับ) หรือตัวให้: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI

สิ่งเจือปนทำให้เกิดการแพร่กระจายแบบแอนไอโซโทรปิกสูง ความเร็วในทิศทางของระนาบความแตกแยกถึงความเร็วของการแพร่กระจายในของเหลวภายใต้อิทธิพลของเกรเดียนต์ของอุณหภูมิและสนามไฟฟ้า จะสังเกตเห็นการเคลื่อนที่ของไอออนสิ่งเจือปนในบิสมัทเทลลูไรด์

เพื่อให้ได้ผลึกเดี่ยว พวกมันจะถูกทำให้เติบโตโดยวิธี Directional Crystallization (Bridgeman) วิธี Czochralski หรือการละลายแบบโซน โลหะผสมที่มีบิสมัทเทลลูไรด์เป็นลักษณะเฉพาะของการเจริญเติบโตของผลึกแบบแอนไอโซโทรปี: อัตราการเติบโตตามแนวระนาบความแตกแยกสูงกว่าอัตราการเติบโตอย่างมีนัยสำคัญในทิศทางที่ตั้งฉากกับระนาบนี้

เทอร์โมคัปเปิลผลิตโดยการกด การอัดขึ้นรูป หรือการหล่อแบบต่อเนื่อง ในขณะที่ฟิล์มเทอร์โมอิเล็กทริกผลิตแบบดั้งเดิมโดยการสะสมด้วยสุญญากาศ แผนภาพเฟสของบิสมัทเทลลูไรด์แสดงไว้ด้านล่าง:

อุณหภูมิที่สูงขึ้นค่าเทอร์โมอิเล็กทริกของโลหะผสมก็จะยิ่งลดลงเนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าภายในเริ่มได้รับผลกระทบ ดังนั้น ที่อุณหภูมิสูง สูงกว่า 500-600 K จึงไม่สามารถใช้ความรุ่งโรจน์นี้ได้เนื่องจากความกว้างเล็กน้อยของโซนต้องห้าม

เพื่อให้ค่าเทอร์โมอิเล็กทริกของ Z มีค่าสูงสุดแม้ในอุณหภูมิที่ไม่สูงมากนัก การผสมโลหะจะทำเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อให้ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนมีขนาดเล็กลง ซึ่งจะทำให้การนำไฟฟ้าลดลง

เพื่อป้องกันการเย็นตัวของความเข้มข้น (การลดลงของค่าเทอร์โมอิเล็กตริก) ในกระบวนการเติบโตของผลึกเดี่ยว จึงมีการใช้การไล่ระดับอุณหภูมิที่มีนัยสำคัญ (สูงสุด 250 K / cm) และความเร็วต่ำของการเติบโตของผลึก - ประมาณ 0.07 มม. / นาที -

บิสมัทและโลหะผสมของบิสมัทกับพลวงในการตกผลึกทำให้เกิดโครงตาข่ายรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูนที่เป็นของไดฮีดรัลสเกลเนฮีดรอนหน่วยเซลล์ของบิสมัทมีรูปร่างคล้ายสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน มีขอบยาว 4.74 อังสตรอม

อะตอมในโครงตาข่ายดังกล่าวถูกจัดเรียงเป็นสองชั้น โดยแต่ละอะตอมมีเพื่อนบ้านสามตัวในชั้นสองชั้น และอีกสามตัวในชั้นที่อยู่ติดกัน พันธะเป็นโควาเลนต์ภายใน bilayer และพันธะ van der Waals ระหว่างชั้น ทำให้เกิดคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุที่ได้ anisotropy ที่คมชัด

ผลึกเดี่ยวของบิสมัทเติบโตได้ง่ายโดยวิธีการตกผลึกใหม่แบบโซน วิธี Bridgman และ Czochralski พลวงกับบิสมัทให้สารละลายที่เป็นของแข็งอย่างต่อเนื่อง

ผลึกเดี่ยวโลหะผสมบิสมัท-พลวงเติบโตโดยคำนึงถึงคุณสมบัติทางเทคโนโลยีที่เกิดจากความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างสายโซลิดัสและลิควิดัส ดังนั้นการหลอมละลายสามารถให้โครงสร้างแบบโมเสกเนื่องจากการเปลี่ยนไปเป็นสถานะเย็นยิ่งยวดที่ด้านหน้าการตกผลึก

เพื่อป้องกันภาวะอุณหภูมิต่ำ พวกเขาหันไปใช้การไล่ระดับอุณหภูมิขนาดใหญ่ - ประมาณ 20 K / cm และอัตราการเติบโตต่ำ - ไม่เกิน 0.3 มม. / ชม.

ลักษณะเฉพาะของสเปกตรัมของพาหะปัจจุบันในบิสมัทคือแถบการนำไฟฟ้าและวาเลนซ์อยู่ใกล้กันมาก นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงของพารามิเตอร์สเปกตรัมได้รับผลกระทบจาก: ความดัน, สนามแม่เหล็ก, สิ่งสกปรก, การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและองค์ประกอบของโลหะผสมเอง

ด้วยวิธีนี้ พารามิเตอร์ของสเปกตรัมของตัวพากระแสในวัสดุสามารถควบคุมได้ ซึ่งทำให้ได้วัสดุที่มีคุณสมบัติเหมาะสมที่สุดและมีค่าเทอร์โมอิเล็กทริกสูงสุด

ดูสิ่งนี้ด้วย:องค์ประกอบ Peltier - วิธีการทำงานและวิธีตรวจสอบและเชื่อมต่อ