51 Термоэлектрические материалы

Материалы для термоэлементов. А.Ф.Иоффе ввел понятие тер­моэлектрической добротности

z= 2/х,

где z - термоэлектрическая добротность; - удельный коэффициент тер­моЭДС;  - удельная проводимость; х - удельная теплопроводность.

Для эффективных термоэлементов необходимы вещества с высо­ким значением термоэлектрической добротности. Так как, с одной сторо­ны, коэффициенты термоЭДС у металлов малы, а, с другой стороны, у диэлектриков практически отсутствует электропроводность, наиболее приемлемыми с точки зрения термоэлектрической эффективности явля­ются полупроводники.

Одним из способов повышения термоэлектрической добротности является снижение фононной составляющей теплопроводности материалов путем легирования твердых растворов нейтральными примесями. В этом случае концентрация носителей тока остается неизменной, а рас­сеяние фононов может быть больше, чем рассеяние носителей тока. По­этому растет отношение /х и, как следствие, увеличивается термоэлек­трическая добротность материала.

Теллурид висмуте Вi2Тe3. Первоначально для термоэлек­трических охлаждающих устройств использовали стехиометрический Вi2Тe3, однако позднее оказалось, что более эффективны твердые рас­творы на его основе. поскольку при этом удается добиться снижения фононной теплопроводности без особых изменений подвижности. Обычно эти вещества можно использовать при температурах меньше 150 °С. Для Вi2Тe3 при 300 К Еg= 0,16 эВ. В резуль­тате биполярный теплоперенос появляется уже при 150 - 200 °С.

Соединение Вi2Тe3 относится к категории автолегирующихся, когда в зависимости от отклонения от стехиометрии возникает избыток дефек­тов п- и р-типа. Основным типом дефектов в этих кристаллах являются антиструктурные дефекты. Именно эти дефекты определяют тип и кон­центрацию основных носителей. В области избыточной концентрации Bi эти атомы замещают вакантные узлы в подрешетке теллура и проявляют акцепторные свойства. Если же атомы Те находятся в избытке, они зани­мают места в подрешетке Bi и проявляют донорные свойства.

Теллурид свинца РЬТe. Чистый (или легированный селенидом олова либо теллуридом цинка) теллурид свинца используют в темпера­турном диапазоне 150 - 450 °С. Как и Вi2Тe3, эти материалы изготавли­вают методами направленной кристаллизации или же горячим прессова­нием. Их недостатком является предрасположенность к сублимации и окислению, поэтому при использовании указанных материалов необхо­димы соответствующие меры для предотвращения этих явлений.

Хороший каскадный элемент Зеебека может быть составлен из термоэлементов на основе Ge-Si n и р-типов, при этом в диапазоне 300 -1300 К достигается среднее значение zТ = 0,5.

52. Cовременные Тенденции в области термоэлектричества.

Ряд причин обусловивший интерес повышенный интерес к термоэлектричеству и термоэлкетроным материалам выделил несколько проблем.

Проблема озоновых дыр и необходимость сокращения фрионсодержащих компонентов в обычных холодильниках.

Единственная перспектива, это использование компактных холодильников на элементах Пелетье.

Открытие ВТСП .

При использовании ВТСП в электронике понадобятся комп. Холодильники.

Перспективным является использование компактных холодильников, для охлаждения компьютерных микропроцессоров.

Это гораздо более дешевый путь увеличения тактовой частоты, чем простое усовершенствование технологии изготовления микропроц.

В последние 5-7 лет появилось большое количество новых материалов, включая материалы, сформированные на атомном уровне, которые небыли доступны 30-40 лет назад и небыли опробованы в качестве термоэлектрических материалов. Кроме того, в последнее время появились надежные методы расчета зонных структур, что позволяет проводить дополнительный анализ и отбор материала.

В настоящее время при проектировании термоэлектронных материалов предполагают применение материалов, как стекло – плохо проводящих тепло, но в тоже время обладающих хорошими электрическими свойствами как кристалл.

Было предложено синтезировать п/п соединения в которых один из атомов или группа атомов слабо связанные с кристаллической решеткой. Такой атом или группа атомов будут испытывать сильное негармоничное колебание, в какой то степени независимое от колебаний атомов кристаллической решетки, поэтому такие атомы в литературе получили название «Грохочущие»

В диэлектрических кристаллах, такие атомы в некоторых случаях могут резко уменьшить теплопроводность до значения, которое имеет стекло с таким – же составом что и кристалл.

Таким образом, было указано направление проведения ТД поиска, а в природе существует большое кол-во соединений, в кристаллических решетках которых можно попытаться сформировать асциляторы Эйнштейна.