Materiais termoelétricos e métodos para sua preparação
Os materiais termoelétricos incluem compostos químicos e ligas metálicas, que são mais ou menos pronunciados. propriedades termoelétricas.
Dependendo do valor do termo-EMF obtido, do ponto de fusão, das características mecânicas, bem como da condutividade elétrica, esses materiais são utilizados na indústria para três finalidades: para a conversão de calor em eletricidade, para resfriamento termoelétrico (transferência de calor ao passar corrente elétrica) e também para medir temperatura (em pirometria). A maioria deles são: sulfetos, carbonetos, óxidos, fosfetos, selenetos e teluretos.
Assim, em refrigeradores termoelétricos, eles usam telureto de bismuto... O carboneto de silício é mais adequado para medir temperaturas e c geradores termoelétricos (TEG) Verificou-se que vários materiais são úteis: telureto de bismuto, telureto de germânio, telureto de antimônio, telureto de chumbo, seleneto de gadolínio, seleneto de antimônio, seleneto de bismuto, monossulfeto de samário, silicieto de magnésio e estanita de magnésio.
As propriedades úteis desses materiais são baseadas em em dois efeitos — Seebeck e Peltier… O efeito Seebeck consiste no aparecimento de termo-EMF nas extremidades de diferentes fios conectados em série, cujos contatos estão em diferentes temperaturas.
O efeito Peltier é o oposto do efeito Seebeck e consiste na transferência de energia térmica quando uma corrente elétrica passa pelos pontos de contato (junções) de diferentes condutores, de um condutor para outro.
Até certo ponto, esses efeitos são um, pois a causa dos dois fenômenos termoelétricos está relacionada a uma perturbação do equilíbrio térmico no fluxo portador.
A seguir, vamos examinar um dos materiais termoelétricos mais populares e procurados — o telureto de bismuto.
É geralmente aceito que os materiais com uma faixa de temperatura operacional abaixo de 300 K são classificados como materiais termoelétricos de baixa temperatura. Um exemplo notável de tal material é simplesmente o telureto de bismuto Bi2Te3. Com base nisso, muitos compostos termoelétricos com características diferentes são obtidos.
O telureto de bismuto tem uma estrutura cristalográfica romboédrica que inclui um conjunto de camadas - quintetos - perpendiculares ao eixo de simetria de terceira ordem.
A ligação química Bi-Te é considerada covalente e a ligação Te-Te é Waanderwal. Para obter um determinado tipo de condutividade (elétron ou buraco), introduz-se um excesso de bismuto, telúrio no material de partida ou liga-se a substância com impurezas como arsênico, estanho, antimônio ou chumbo (aceitadores) ou doadores: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI.
As impurezas dão uma difusão altamente anisotrópica, sua velocidade na direção do plano de clivagem atinge a velocidade de difusão em líquidos.Sob a influência de um gradiente de temperatura e de um campo elétrico, observa-se o movimento de íons de impurezas no telureto de bismuto.
Para obter monocristais, eles são cultivados pelo método de cristalização direcional (Bridgeman), o método Czochralski ou fusão por zona. As ligas à base de telureto de bismuto são caracterizadas por pronunciada anisotropia do crescimento do cristal: a taxa de crescimento ao longo do plano de clivagem excede significativamente a taxa de crescimento na direção perpendicular a este plano.
Os termopares são produzidos por prensagem, extrusão ou lingotamento contínuo, enquanto os filmes termoelétricos são tradicionalmente produzidos por deposição a vácuo. O diagrama de fases do telureto de bismuto é mostrado abaixo:
Quanto maior a temperatura, menor o valor termoelétrico da liga, pois a condutividade interna começa a afetar.Portanto, em altas temperaturas, acima de 500-600 K, essa glória não pode ser usada simplesmente por causa da pequena largura da zona proibida.
Para que o valor termoelétrico de Z seja máximo mesmo em temperaturas não muito altas, a liga é feita da melhor maneira possível para que a concentração de impurezas seja menor, o que garantiria uma menor condutividade elétrica.
Para evitar o superresfriamento da concentração (redução do valor termoelétrico) no processo de crescimento de um único cristal, gradientes de temperatura significativos (até 250 K / cm) e uma baixa velocidade de crescimento do cristal - cerca de 0,07 mm / min - são usados.
Bismuto e ligas de bismuto com antimônio na cristalização dão uma rede romboédrica que pertence ao escaleneedro diedro.A célula unitária do bismuto tem a forma de um romboedro com arestas de 4,74 angstroms de comprimento.
Os átomos em tal rede são arranjados em camadas duplas, com cada átomo tendo três vizinhos em uma camada dupla e três em uma camada adjacente. As ligações são covalentes dentro da bicamada e as ligações de van der Waals entre as camadas, resultando em uma anisotropia acentuada das propriedades físicas dos materiais resultantes.
Os monocristais de bismuto são facilmente cultivados por recristalização zonal, métodos de Bridgman e Czochralski. Antimônio com bismuto dá uma série contínua de soluções sólidas.
Um monocristal de liga de bismuto-antimônio é desenvolvido levando em consideração as características tecnológicas causadas por uma diferença significativa entre as linhas solidus e liquidus. Assim, o fundido pode dar uma estrutura de mosaico devido à transição para um estado super-resfriado na frente de cristalização.
Para evitar a hipotermia, eles recorrem a um grande gradiente de temperatura - cerca de 20 K / cm e uma baixa taxa de crescimento - não mais que 0,3 mm / h.
A peculiaridade do espectro de portadores de corrente no bismuto é que as bandas de condução e valência são bastante próximas. Além disso, a mudança nos parâmetros do espectro é afetada por: pressão, campo magnético, impurezas, mudanças de temperatura e a composição da própria liga.
Desta forma, podem ser controlados os parâmetros do espectro de portadores de corrente no material, o que permite obter um material com propriedades ótimas e valor termoelétrico máximo.
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