Bahan dan metode termoelektrik untuk persiapannya
Bahan termoelektrik meliputi senyawa kimia dan paduan logam, yang kurang lebih diucapkan. sifat termoelektrik.
Bergantung pada nilai termo-EMF yang diperoleh, titik leleh, karakteristik mekanis, serta konduktivitas listrik, bahan-bahan ini digunakan dalam industri untuk tiga tujuan: untuk mengubah panas menjadi listrik, untuk pendinginan termoelektrik (perpindahan panas ketika melewati arus listrik) dan juga untuk mengukur suhu (dalam pirometri). Kebanyakan dari mereka adalah: sulfida, karbida, oksida, fosfida, selenida dan telurida.
Jadi dalam lemari es termoelektrik yang mereka gunakan bismuth telluride... Silikon karbida lebih cocok untuk mengukur suhu dan c generator termoelektrik (TEG) Sejumlah bahan telah ditemukan berguna: telurida bismut, telurida germanium, telurida antimon, telurida timbal, selenida gadolinium, selenida antimon, selenida bismut, samarium monosulfida, magnesium silisida, dan magnesium stannite.
Sifat-sifat yang berguna dari bahan-bahan ini didasarkan pada pada dua efek — Seebeck dan Peltier… Efek Seebeck terdiri dari munculnya termo-EMF di ujung kabel berbeda yang terhubung seri, kontak di antaranya berada pada suhu yang berbeda.
Efek Peltier adalah kebalikan dari efek Seebeck dan terdiri dari perpindahan energi panas ketika arus listrik melewati titik kontak (persimpangan) konduktor yang berbeda, dari satu konduktor ke konduktor lainnya.
Sampai batas tertentu efek ini adalah satu sejak Penyebab kedua fenomena termoelektrik tersebut terkait dengan gangguan kesetimbangan termal pada aliran pembawa.
Selanjutnya, mari kita lihat salah satu bahan termoelektrik yang paling populer dan banyak dicari — bismuth telluride.
Secara umum diterima bahwa bahan dengan kisaran suhu operasi di bawah 300 K diklasifikasikan sebagai bahan termoelektrik suhu rendah. Contoh mencolok dari bahan semacam itu hanyalah bismuth telluride Bi2Te3. Atas dasar itu, banyak senyawa termoelektrik dengan karakteristik berbeda diperoleh.
Telluride Bismuth memiliki struktur kristalografi rhombohedral yang mencakup satu set lapisan — kuintet — pada sudut kanan ke sumbu simetri orde ketiga.
Ikatan kimia Bi-Te dianggap kovalen dan ikatan Te-Te adalah Waanderwal. Untuk mendapatkan jenis konduktivitas tertentu (elektron atau lubang), kelebihan bismut, telurium dimasukkan ke dalam bahan awal atau zat tersebut dicampur dengan pengotor seperti arsenik, timah, antimon atau timbal (akseptor) atau donor: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI .
Kotoran memberikan difusi yang sangat anisotropik, kecepatannya ke arah bidang belahan mencapai kecepatan difusi dalam cairan.Di bawah pengaruh gradien suhu dan medan listrik, pergerakan ion pengotor dalam bismuth telluride diamati.
Untuk mendapatkan kristal tunggal, mereka ditanam dengan metode kristalisasi terarah (Jembatan), metode Czochralski, atau peleburan zona. Paduan berdasarkan bismuth telluride dicirikan oleh anisotropi yang jelas dari pertumbuhan kristal: laju pertumbuhan di sepanjang bidang belahan secara signifikan melebihi laju pertumbuhan dalam arah tegak lurus terhadap bidang ini.
Termokopel diproduksi dengan pengepresan, ekstrusi atau pengecoran kontinu, sedangkan film termoelektrik secara tradisional diproduksi dengan pengendapan vakum. Diagram fase untuk telluride bismut ditunjukkan di bawah ini:
Semakin tinggi suhu, semakin rendah nilai termoelektrik paduan, karena konduktivitas internal mulai terpengaruh Oleh karena itu, pada suhu tinggi, di atas 500-600 K, kemuliaan ini tidak dapat digunakan hanya karena lebar zona terlarang yang kecil.
Agar nilai termoelektrik Z menjadi maksimal meskipun pada suhu yang tidak terlalu tinggi, paduan dilakukan sebaik mungkin agar konsentrasi pengotor lebih kecil, yang akan memastikan konduktivitas listrik yang lebih rendah.
Untuk mencegah supercooling konsentrasi (pengurangan nilai termoelektrik) dalam proses menumbuhkan kristal tunggal, gradien suhu yang signifikan (hingga 250 K / cm) dan kecepatan pertumbuhan kristal yang rendah - sekitar 0,07 mm / mnt - digunakan.
Bismut dan paduan bismut dengan antimon pada kristalisasi menghasilkan kisi rhombohedral yang termasuk dalam scalenehedron dihedral.Sel satuan bismut berbentuk seperti rhombohedron dengan panjang tepi 4,74 angstrom.
Atom-atom dalam kisi tersebut disusun dalam lapisan ganda, dengan masing-masing atom memiliki tiga tetangga dalam lapisan ganda dan tiga di lapisan yang berdekatan. Ikatan kovalen di dalam bilayer, dan ikatan van der Waals di antara lapisan, menghasilkan anisotropi yang tajam dari sifat fisik bahan yang dihasilkan.
Kristal tunggal bismut mudah ditumbuhkan dengan rekristalisasi zonal, metode Bridgman dan Czochralski. Antimoni dengan bismut memberikan serangkaian solusi padat yang berkelanjutan.
Kristal tunggal paduan bismut-antimoni ditanam dengan mempertimbangkan fitur teknologi yang disebabkan oleh perbedaan yang signifikan antara garis solidus dan likuidus. Jadi lelehan dapat memberikan struktur mosaik karena transisi ke keadaan sangat dingin di bagian depan kristalisasi.
Untuk mencegah hipotermia, mereka menggunakan gradien suhu yang besar - sekitar 20 K / cm dan laju pertumbuhan rendah - tidak lebih dari 0,3 mm / jam.
Keunikan spektrum pembawa arus dalam bismut adalah bahwa pita konduksi dan valensi cukup dekat. Selain itu, perubahan parameter spektrum dipengaruhi oleh: tekanan, medan magnet, pengotor, perubahan suhu dan komposisi paduan itu sendiri.
Dengan cara ini, parameter spektrum pembawa arus dalam material dapat dikontrol, yang memungkinkan diperolehnya material dengan sifat optimal dan nilai termoelektrik maksimum.
Lihat juga:Elemen Peltier - cara kerjanya dan cara memeriksa dan menghubungkan