熱電材料とその製造方法

熱電材料には、多かれ少なかれ顕著な化合物と金属合金が含まれます。 熱電特性.

得られる熱起電力の値、融点、機械的特性、および導電率に応じて、これらの材料は、熱から電気への変換、熱電冷却の 3 つの目的で産業で使用されます。 （電流を流すときの熱伝達）、および温度測定（高温測定）にも使用されます。それらのほとんどは、硫化物、炭化物、酸化物、リン化物、セレン化物、テルル化物です。

したがって、熱電冷蔵庫では、 テルル化ビスマス... 炭化ケイ素は温度や温度の測定に適しています。 熱電発電機 (TEG) テルル化ビスマス、テルル化ゲルマニウム、テルル化アンチモン、テルル化鉛、セレン化ガドリニウム、セレン化アンチモン、セレン化ビスマス、一硫化サマリウム、ケイ化マグネシウム、および錫酸マグネシウムなど、多くの材料が有用であることがわかっている。

これらの材料の有用な特性は、以下に基づいています。 2 つの効果 — ゼーベックとペルチェ… ゼーベック効果は、直列接続された異なるワイヤの端に熱起電力が発生し、ワイヤ間の接触温度が異なることで構成されます。

ペルチェ効果はゼーベック効果の逆で、電流が異なる導体の接触点 (接合部) をある導体から別の導体に通過するときに熱エネルギーが伝達されます。

ある程度、これらの効果は 1 つです。 2 つの熱電現象の原因は、キャリア流の熱平衡の乱れに関係しています。

次に、最も人気があり人気の熱電材料の 1 つであるテルル化ビスマスを見てみましょう。

動作温度範囲が 300 K 未満の材料は低温熱電材料として分類されることが一般に認められています。このような材料の顕著な例は、単にテルル化ビスマス Bi2Te3 です。これに基づいて、異なる特性を持つ多くの熱電化合物が得られます。

テルル化ビスマスは、3 次対称軸に直角な一連の層 (クインテット) を含む菱面体晶系の結晶構造を持っています。

Bi-Te 化学結合は共有結合であると仮定され、Te-Te 結合は Waanderwal です。特定の種類の導電性 (電子または正孔) を得るには、過剰なビスマス、テルルが出発物質に導入されるか、物質がヒ素、スズ、アンチモン、鉛などの不純物 (アクセプター) またはドナー (CuBr) と合金化されます。 、Ｂｉ２Ｔｅ３ＣｕＩ、Ｂ、ＡｇＩ。

不純物は高度に異方性の拡散を示し、その劈開面方向の速度は液体中の拡散速度に達します。温度勾配と電場の影響下で、テルル化ビスマス中の不純物イオンの動きが観察されます。

単結晶を得るには、方向性結晶化（ブリッジマン）法、チョクラルスキー法、またはゾーンメルティングによって成長させます。テルル化ビスマスをベースとした合金は、結晶成長の顕著な異方性を特徴とします。つまり、へき開面に沿った成長速度は、この面に垂直な方向の成長速度を大幅に上回ります。

熱電対はプレス、押出、または連続鋳造によって製造されますが、熱電フィルムは伝統的に真空蒸着によって製造されます。テルル化ビスマスの状態図を以下に示します。

温度が高くなるほど、内部伝導率が影響し始めるため、合金の熱電値は低くなります。したがって、500 ～ 600 K を超える高温では、禁制帯の幅が狭いため、この栄光は使用できません。

それほど高温でなくても Z の熱電値が最大になるように、合金化が可能な限り行われ、不純物濃度が低くなり、導電率が低くなります。

単結晶の成長プロセスにおける濃度の過冷却（熱電値の低下）を防ぐために、大きな温度勾配（最大250 K / cm）と約0.07 mm / minの低速の結晶成長が使用されます。

ビスマスおよびビスマスとアンチモンの合金は結晶化すると、二面体不等辺面体に属する菱面体格子を形成します。ビスマスの単位格子は、辺の長さが 4.74 オングストロームの菱面体のような形状です。

このような格子内の原子は二重層に配置され、各原子は二重層内に 3 つの隣接原子を持ち、隣接する層内に 3 つの原子を持ちます。結合は二重層内で共有結合しており、層間ではファンデルワールス結合が発生し、その結果、得られる材料の物理的特性に鋭い異方性が生じます。

ビスマス単結晶は、ゾーン再結晶化、ブリッジマン法およびチョクラルスキー法によって容易に成長します。アンチモンとビスマスは連続的な一連の固溶体を形成します。

ビスマス-アンチモン合金単結晶は、固相線と液相線の間の大きな違いによって引き起こされる技術的特徴を考慮して成長させられます。したがって、結晶化フロントでの過冷却状態への移行により、溶融物はモザイク構造を与える可能性があります。

低体温症を防ぐために、約 20 K / cm という大きな温度勾配と、0.3 mm / h 以下の低い成長速度を利用します。

ビスマスの電流キャリアのスペクトルの特徴は、伝導帯と価電子帯が非常に近いことです。さらに、スペクトルパラメータの変化は、圧力、磁場、不純物、温度変化、合金自体の組成の影響を受けます。

このようにして、材料内の電流キャリアのスペクトルのパラメータを制御することができ、最適な特性と最大の熱電値を備えた材料を得ることが可能になります。

以下も参照してください。ペルチェ素子の仕組みと確認・接続方法