חומרים טרמו-אלקטריים ושיטות להכנתם
חומרים תרמו-אלקטריים כוללים תרכובות כימיות וסגסוגות מתכת, אשר בולטות פחות או יותר. תכונות תרמו-אלקטריות.
בהתאם לערך התרמו-EMF המתקבל, בנקודת ההיתוך, במאפיינים המכניים, כמו גם במוליכות החשמלית, משתמשים בחומרים אלה בתעשייה לשלוש מטרות: להמרת חום לחשמל, לקירור תרמו-אלקטרי. (העברת חום בעת העברת זרם חשמלי) וגם למדידת טמפרטורה (בפירומטריה). רובם הם: סולפידים, קרבידים, תחמוצות, פוספידים, סלנידים וטלורידים.
אז במקררים תרמו-אלקטריים הם משתמשים ביסמוט טלוריד... סיליקון קרביד מתאים יותר למדידת טמפרטורות ו-ג גנרטורים תרמו-אלקטריים (TEG) מספר חומרים נמצאו שימושיים: ביסמוט טלוריד, גרמניום טלוריד, אנטימון טלוריד, טלוריד עופרת, גדוליניום סלניד, אנטימון סלניד, ביסמוט סלניד, סמריום מונוסולפיד, מגנזיום סיליקיד וסטאניט מגנזיום.
המאפיינים השימושיים של חומרים אלה מבוססים על על שתי השפעות - Seebeck ו-Peltier... אפקט Seebeck מורכב מהופעת תרמו-EMF בקצוות של חוטים שונים המחוברים בסדרה, שהמגעים ביניהם נמצאים בטמפרטורות שונות.
אפקט פלטייר הוא ההפך מאפקט סיבק והוא מורכב מהעברת אנרגיית חום כאשר זרם חשמלי עובר דרך נקודות המגע (צמתים) של מוליכים שונים, ממוליך אחד למשנהו.
במידה מסוימת ההשפעות הללו הן אחת מאז הסיבה לשתי התופעות התרמו-אלקטריות קשורה להפרעה בשיווי המשקל התרמי בזרימת הנשא.
לאחר מכן, בואו נסתכל על אחד החומרים התרמו-אלקטריים הפופולריים והמבוקשים ביותר - ביסמוט טלוריד.
מקובל בדרך כלל כי חומרים עם טווח טמפרטורות עבודה מתחת ל-300 K מסווגים כחומרים תרמו-אלקטריים בטמפרטורה נמוכה. דוגמה בולטת לחומר כזה היא פשוט ביסמוט טלורייד Bi2Te3. על בסיסו מתקבלות תרכובות תרמו-אלקטריות רבות בעלות מאפיינים שונים.
לביסמוט טלורייד מבנה גבישי רומבוהדרלי הכולל קבוצה של שכבות - חמישיות - בזווית ישרה לציר הסימטריה מהסדר השלישי.
ההנחה היא שהקשר הכימי Bi-Te הוא קוולנטי וקשר ה-Te-Te הוא Waanderwal. על מנת לקבל מוליכות מסוג מסוים (אלקטרון או חור), מחדירים עודף של ביסמוט, טלוריום לחומר המוצא או שהחומר מסוגג בזיהומים כמו ארסן, בדיל, אנטימון או עופרת (מקבלים) או תורמים: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AGI .
זיהומים נותנים דיפוזיה אנזוטרופית ביותר, מהירותו בכיוון מישור המחשוף מגיעה למהירות הדיפוזיה בנוזלים.בהשפעת שיפוע טמפרטורה ושדה חשמלי, נצפית תנועה של יוני טומאה בביסמוט טלוריד.
כדי להשיג גבישים בודדים, מגדלים אותם בשיטת התגבשות כיוונית (ברידג'מן), שיטת צ'וקרלסקי או התכת אזור. סגסוגות המבוססות על ביסמוט טלוריד מאופיינות באניזוטרופיה בולטת של צמיחת גבישים: קצב הצמיחה לאורך מישור המחשוף עולה באופן משמעותי על קצב הצמיחה בכיוון הניצב למישור זה.
צמדים תרמיים מיוצרים על ידי לחיצה, אקסטרוזיה או יציקה רציפה, בעוד שסרטים תרמו-אלקטריים מיוצרים באופן מסורתי על ידי השקעת ואקום. דיאגרמת השלבים עבור ביסמוט טלורייד מוצגת להלן:
ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך הערך התרמו-אלקטרי של הסגסוגת נמוך יותר, מכיוון שהמוליכות הפנימית מתחילה להשפיע.לכן, בטמפרטורות גבוהות, מעל 500-600 K, לא ניתן להשתמש בתפארת זו רק בגלל הרוחב הקטן של האזור האסור.
על מנת שהערך התרמו-אלקטרי של Z יהיה מקסימלי גם בטמפרטורות לא גבוהות במיוחד, הסגסוגת מתבצעת בצורה טובה ככל האפשר כך שריכוז הטומאה קטן יותר, מה שיבטיח מוליכות חשמלית נמוכה יותר.
כדי למנוע קירור-על של הריכוז (הפחתת הערך התרמו-אלקטרי) בתהליך של גידול גביש בודד, נעשה שימוש בהדרגות טמפרטורה משמעותיות (עד 250 K / ס"מ) ומהירות נמוכה של צמיחת גבישים - כ-0.07 מ"מ / דקה.
ביסמוט וסגסוגות של ביסמוט עם אנטימון בהתגבשות נותנים סריג מעוין ששייך לסקלנהדרון הדיהדרלי.תא היחידה של ביסמוט מעוצב כמו מעוין עם קצוות באורך 4.74 אנגסטרום.
האטומים בסריג כזה מסודרים בשכבות כפולות, כאשר לכל אטום יש שלושה שכנים בשכבה כפולה ושלושה בשכבה סמוכה. הקשרים הם קוולנטיים בתוך השכבה הדו-שכבה, וקשרים של ואן דר-ואלס בין השכבות, וכתוצאה מכך אנזוטרופיה חדה של התכונות הפיזיקליות של החומרים המתקבלים.
גבישים בודדים של ביסמוט גדלים בקלות על ידי התגבשות אזורית, שיטות ברידג'מן וצ'וקרלסקי. אנטימון עם ביסמוט נותן סדרה רציפה של תמיסות מוצקות.
גביש יחיד מסגסוגת ביסמוט-אנטימון גדל תוך התחשבות בתכונות הטכנולוגיות הנגרמות על ידי הבדל משמעותי בין קווי הסולידוס והליקווידוס. כך שההמסה יכולה לתת מבנה פסיפס עקב המעבר למצב סופר-קירור בחזית ההתגבשות.
כדי למנוע היפותרמיה, הם פונים לשיפוע טמפרטורה גדול - כ 20 K / ס"מ וקצב צמיחה נמוך - לא יותר מ 0.3 מ"מ / שעה.
הייחודיות של הספקטרום של נושאי הזרם בביסמוט היא שרצועות ההולכה והערכיות קרובות למדי. בנוסף, השינוי בפרמטרי הספקטרום מושפע מ: לחץ, שדה מגנטי, זיהומים, שינויי טמפרטורה והרכב הסגסוגת עצמה.
כך ניתן לשלוט על הפרמטרים של ספקטרום נושאי הזרם בחומר, מה שמאפשר לקבל חומר בעל תכונות אופטימליות וערך תרמו-אלקטרי מרבי.
ראה גם:אלמנט פלטייר - איך זה עובד ואיך בודקים ומתחברים