Введение 4
1 Обзор литературы 8
1.1. Термоэлектрические свойства материалов 8
1.2 Термоэлектрические материалы 18
1.2.1 Традиционные термоэлектрические материалы 18
1.2.2 Перспективные термоэлектрические материалы 19
1.2.3 Направления оптимизации термоэлектрических свойств 23
1.3 Кристаллическая структура и свойства соединений на основе
теллурида висмута 29
1.3.1 Основные физические свойства теллурида висмута 29
1.3.2 Влияние легирования редкоземельными элементами на
термоэлектрические свойства теллурида висмута 30
1.4 Частные задачи исследования 35
2 Материал, методы исследований и техника безопасности 37
2.1 Получение экспериментальных образцов теллурида висмута,
легированного редкоземельными элементами 37
2.2 Методы исследования термоэлектрических свойств 40
2.2.1 Измерение удельного электрического сопротивления и
коэффициента Зеебека 40
2.2.2 Определение удельной теплопроводности 42
2.2.3 Исследование эффекта Холла 46
2.3 Техника безопасности при выполнении работ 47
3 Результаты исследований и их обсуждение 48
3.1 Кристаллическая и зеренная структура, фазовый и элементный
состав образцов исследуемых материалов 48
3.2 Тип, концентрация и Холловская подвижность носителей заряда..53
3.3 Удельное электрическое сопротивление 57
3.4 Коэффициент Зеебека и фактор мощности 65
3.5 Теплопроводность 71
3.6 Термоэлектрическая добротность 75
3.7 Преимущества выполненных исследований 77
Выводы 78
Список литературы
Поиск и разработка новых и возобновляемых источников энергии традиционно является одной из самых актуальных и масштабных проблем науки и техники. В последнее время одним из основных требований, предъявляемым к источникам электрической энергии, помимо высокой эффективности, является экологичность источников. Это значит, что вырабатываемая электрическая энергия должна быть, во-первых, возобновляемой, и, во-вторых, не оказывать вредного влияния на окружающую среду. Важным и перспективным направлением развития «зеленой» энергетики является промышленное освоение и широкое внедрение термоэлектрических генераторов, работающих на эффекте Зеебека. Термоэлектрические генераторы осуществляют прямое преобразование тепловой энергии (как правило, в виде отработанного или «сбросового» тепла) в электрическую энергию.
В зависимости от интервала рабочих температур все термоэлектрические материалы делят на три группы: низкотемпературные материалы, среднетемпературные материалы и высокотемпературные материалы. Существенным недостатком всех термоэлектрических материалов является их сравнительно невысокая эффективность, существенно ограничивающая масштабное применение термоэлектрических генераторов. Эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую энергию определяется термоэлектрической добротностью материала. Термоэлектрическая добротность материала зависит от удельного электрического сопротивления, коэффициента Зеебека и полной теплопроводности, включающей решеточный вклад и вклад свободных носителей заряда. Высокоэффективный термоэлектрический материал должен одновременно обладать низкой теплопроводностью и удельным электрическим сопротивлением, и высоким значением коэффициента Зеебека. Эти термоэлектрические свойства тесно связаны друг с другом, но неблагоприятно зависят друг от друга, что приводит к тому, что оптимизация одного термоэлектрического свойства часто ухудшает другие. Чтобы «развязать» эти термоэлектрические свойства, в термоэлектрическом материале различными технологическими способами контролируемо создают дефекты различной природы.
В настоящее время теллурид висмута Bi2Te3и сплавы на основе теллурида висмута, несмотря на низкое значение термоэлектрической добротности (ZT- 1), являются наилучшими низкотемпературными термоэлектрическими материалами. Одним из самых перспективных и эффективных способов улучшения термоэлектрических свойств теллурида висмута является его легирование. В последнее время было показано, что использование в качестве легирующего элемента редкоземельных элементов (Ce, Gd, Sm, Lu, Tm и т.д.) позволяет добиться существенного возрастания термоэлектрической добротности вплоть до значений ZT > 1,5. Предполагается, что увеличение термоэлектрической добротности теллурида висмута, легированного редкоземельными элементами, может быть связано с возрастанием фактора мощности, обусловленного специфической электронной структурой редкоземельных элементов, уменьшением теплопроводности материала, возможностью варьирования и оптимизации концентрации и подвижности носителей заряда.
Целью настоящей работы является идентификация и анализ физических механизмов, определяющих повышение термоэлектрической добротности теллурида висмута, легированного редкоземельными элементами.
По результатам работы можно сделать следующие основные выводы:
1. Основными носителями тока в теллуриде висмута, легированного Lu или Tm, являются электроны.
2. При легировании редкоземельными элементами концентрация свободных электронов в теллуриде висмута возрастает, что обусловлено различием в электроотрицательностях атомов элементов, образующих антиструктурные дефекты, ответственные за образование дырок в Bi2Te3 (для Te, Bi, Lu и Tm электроотрицательности равны соответственно 2,1; 2,02; 1,27 и 1,25 эВ).
3. Уменьшение подвижности электронов при легировании связано с дополнительным рассеянием электронов на точечных дефектах, образующихся, когда атомы Lu или Tm замещают узлы Bi.
4. В интервале температур 300-630 К температурная зависимость электрического сопротивления исследуемых образцов определяется двумя механизмами. Ниже температуры Td- 470 K имеет место рассеяние электронов на акустических и оптических фононах (режим вырожденного полупроводника), выше - генерация электронно-дырочных пар в результате собственной проводимости.
5. В результате легирования коэффициент Зеебека возрастает, что связано с увеличением эффективной массы электронов в примесной зоне, характеризующейся быстрым изменением плотности состояний.
6. Удельное электрическое сопротивление и теплопроводность легированных образцов уменьшаются. Уменьшение электрического сопротивления связано с увеличением концентрации свободных электронов, а уменьшение теплопроводности - с рассеянием фононов на точечных дефектах, образующихся при легировании.
7. Уменьшение электрического сопротивления и теплопроводности и
увеличение коэффициента Зеебека обусловленные легированием редкоземельными элементами, приводят к термоэлектрической добротности теллурида висмута.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
