3. Концентраційні неоднорідності в термоелектричних матеріалах

Умови вирощування термоелектричних матеріалів, такі як градієнт температур G в розплаві у фронті кристалізації та швидкість росту ʋ, істотно впливають на термоелектричну ефективність твердих розчинів на основі Bi₂Te₃. Збільшення ʋ і зменшення G викликає зниження z через зменшення α і σ та росту χ в матеріалах p – типу провідності (таблиця 3.).

Таблиця 3.

Залежність властивостей термоелектричних матеріалів від умов росту

Склад 1 – BiSbTe3, 2 – Bi1.4Sb0,6Te2.8Se0,2 [1].

Склад	G, К/см	ʋ, мм/хв.	α, мкВ/К	σ, (ом·см)-1	χ,	zT (при 300К)
1 2	25 25 25 25 50 50 50 250 250 250 - -	0,9 0,42 0,21 0,053 0,22 0,053 0,013 2,5 0,48 0,072 4,2 0,42	70 141 163 178 101 173 166 138 186 182 146 176	715 827 1110 1090 655 913 800 895 1110 1320 1090 1400	20,8 16,9 15,4 14,2 18,3 12,4 13,0 17,9 14,1 14,0 17,0 15,5	0,051 0,31 0,57 0,73 0,11 0,66 0,51 0,28 0,82 0,92 0,42 0,75

Зменшення α²σ при збільшенні швидкості росту твердих розчинів n – Bi₂(TeSe)₃, легованих BiCl₃ та CdCl₂, спостерігали Гольцман та інші [12]. При збільшенні швидкості росту n – Bi₂Te_2.7Se_0.3 від 0.25 до 2 мм/хв. величина α²σ зменшується на 5 – 10 %. Збільшення ʋ від 0.15 до 5 мм/хв. призводить до зниженню α²σ n - Вi₂Te_2.4Se_0.6 і n - Вi₂Te_2.1Se_0.9 на 20 – 25%. Ці дані отримані при значенні градієнта температур G=200 – 250 К/см. Зменшення G також викликає зменшення α²σ.

Відмітимо дві групи неоднорідностей, макронеоднорідності та мікронеоднорідності. Макронеоднорідності по довжині злитка утворюються через зміну складу розплаву під час кристалізації в результаті відтиснення компонентів твердої фази. Для того щоб уникнути макронеоднорідності в поперечному перетину злитків, отримані методом направленою кристалізації, роблять фронт кристалізації більш плоским, зменшуючи діаметр злитка або швидкості росту і підсилити осьовий градієнт температур в області кристалізації.

Мікронеоднорідності утворюються при кристалізації через концентраційного переохолодження розплаву, що приводить до нестійкості фронту кристалізації. В результаті виникає шарова структура, витягнута уздовж осі злитка.

Інша причина неоднорідностей розмірами 1 – 100 мкм в злитках, вирощених із розплаву, являється періодична зміна швидкості росту. Зміна швидкості росту викликає появу шару зі зміною складу (смугами росту). Форма шару відображає форму фронту кристалізації. При періодичній зміні швидкості росту утворюються поперечна шарообразна структура.