Materials termoelèctrics i mètodes per a la seva preparació

Els materials termoelèctrics inclouen compostos químics i aliatges metàl·lics, que són més o menys pronunciats. propietats termoelèctriques.

Depenent del valor del termo-EMF obtingut, del punt de fusió, de les característiques mecàniques, així com de la conductivitat elèctrica, aquests materials s'utilitzen a la indústria amb tres finalitats: per a la conversió de calor en electricitat, per a la refrigeració termoelèctrica. (transmissió de calor al passar corrent elèctric) i també per mesurar la temperatura (en pirometria). La majoria d'ells són: sulfurs, carburs, òxids, fosfurs, selenurs i tel·lururs.

Així que a les neveres termoelèctriques s'utilitzen telurur de bismut... El carbur de silici és més adequat per mesurar temperatures i c Generadors termoelèctrics (TEG) S'ha trobat que una sèrie de materials són útils: telurur de bismut, telurur de germani, telurur d'antimoni, telurur de plom, selenur de gadolini, selenur d'antimoni, selenur de bismut, monosulfur de samari, siliciur de magnesi i estannit de magnesi.

Les propietats útils d'aquests materials es basen en dos efectes: Seebeck i Peltier… L'efecte Seebeck consisteix en l'aparició de termo-EMF als extrems de diferents cables connectats en sèrie, els contactes entre els quals es troben a diferents temperatures.

L'efecte Peltier és el contrari de l'efecte Seebeck i consisteix en la transferència d'energia tèrmica quan un corrent elèctric passa pels punts de contacte (unions) de diferents conductors, d'un conductor a un altre.

Fins a cert punt, aquests efectes són un des d'aleshores la causa dels dos fenòmens termoelèctrics està relacionada amb una alteració de l'equilibri tèrmic en el flux del portador.

A continuació, mirem un dels materials termoelèctrics més populars i buscats: el telurur de bismut.

En general, s'accepta que els materials amb un rang de temperatura de funcionament inferior a 300 K es classifiquen com a materials termoelèctrics de baixa temperatura. Un exemple sorprenent d'aquest material és simplement el telurur de bismut Bi2Te3. Sobre la seva base s'obtenen molts compostos termoelèctrics amb diferents característiques.

El telurur de bismut té una estructura cristal·logràfica romboèdrica que inclou un conjunt de capes (quintets) en angle recte amb l'eix de simetria de tercer ordre.

Se suposa que l'enllaç químic Bi-Te és covalent i l'enllaç Te-Te és Waanderwal. Per tal d'obtenir un determinat tipus de conductivitat (electró o forat), s'introdueix un excés de bismut, tel·luri a la matèria de partida o s'alia la substància amb impureses com arsènic, estany, antimoni o plom (acceptors) o donants: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI .

Les impureses donen una difusió altament anisòtropa, la seva velocitat en la direcció del pla d'escissió assoleix la velocitat de difusió en líquids.Sota la influència d'un gradient de temperatura i d'un camp elèctric, s'observa moviment d'ions d'impuresa en el telurur de bismut.

Per obtenir cristalls senzills, es fan créixer pel mètode de cristal·lització direccional (Bridgeman), el mètode Czochralski o fusió de zones. Els aliatges basats en telurur de bismut es caracteritzen per una anisotropia pronunciada del creixement del cristall: la taxa de creixement al llarg del pla d'escissió supera significativament la taxa de creixement en la direcció perpendicular a aquest pla.

Els termoparells es produeixen mitjançant premsat, extrusió o colada contínua, mentre que les pel·lícules termoelèctriques es produeixen tradicionalment per deposició al buit. El diagrama de fases del telurur de bismut es mostra a continuació:

Com més alta sigui la temperatura, menor serà el valor termoelèctric de l'aliatge, ja que la conductivitat interna comença a afectar, per tant, a altes temperatures, per sobre de 500-600 K, aquesta glòria no es pot utilitzar simplement per la petita amplada de la zona prohibida.

Per tal que el valor termoelèctric de Z sigui màxim fins i tot a temperatures no molt altes, l'aliatge es fa de la millor manera possible perquè la concentració d'impureses sigui menor, la qual cosa garantiria una menor conductivitat elèctrica.

Per evitar el sobrerefrigerament de la concentració (reducció del valor termoelèctric) en el procés de creixement d'un cristall únic, s'utilitzen gradients de temperatura significatius (fins a 250 K / cm) i una baixa velocitat de creixement del cristall (aproximadament 0,07 mm / min).

El bismut i els aliatges de bismut amb antimoni a la cristal·lització donen una xarxa romboèdrica que pertany a l'escaleneedre diedre.La cel·la unitat de bismut té forma de romboedre amb arestes de 4,74 angstroms de llarg.

Els àtoms d'aquesta xarxa estan disposats en capes dobles, amb cada àtom amb tres veïns en una doble capa i tres en una capa adjacent. Els enllaços són covalents dins de la bicapa, i van der Waals s'uneixen entre les capes, donant lloc a una forta anisotropia de les propietats físiques dels materials resultants.

Els cristalls senzills de bismut es cultiven fàcilment mitjançant la recristal·lització zonal, els mètodes de Bridgman i Czochralski. L'antimoni amb bismut dóna una sèrie contínua de solucions sòlides.

Es cultiva un monocristall d'aliatge de bismut-antimoni tenint en compte les característiques tecnològiques provocades per una diferència significativa entre les línies solidus i liquidus. Així, la fusió pot donar una estructura de mosaic a causa de la transició a un estat de superrefrigeració al front de cristal·lització.

Per prevenir la hipotèrmia, recorren a un gran gradient de temperatura - uns 20 K / cm i una taxa de creixement baixa - no més de 0,3 mm / h.

La particularitat de l'espectre de portadors de corrent en bismut és que les bandes de conducció i valència són força properes. A més, el canvi en els paràmetres de l'espectre es veu afectat per: pressió, camp magnètic, impureses, canvis de temperatura i la composició del propi aliatge.

D'aquesta manera, es poden controlar els paràmetres de l'espectre de portadors de corrent en el material, la qual cosa permet obtenir un material amb propietats òptimes i valor termoelèctric màxim.

Vegeu també:Element Peltier: com funciona i com comprovar i connectar