ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО 8
1.1 Термоэлектрические явления 8
1.1.1 Явление термо-ЭДС Зеебека 8
1.1.2 Явление Пельтье 9
1.1.3 Эффект Томсона 10
1.2 Термогальваномагнитные эффекты в изотропной среде 11
1.2.1 Эффект Холла 12
1.2.2 Эффект Нернста-Эттингсгаузена 13
1.2.3 Эффект Эттингсгаузена 14
1.3 Практическое применение термоэлектрических эффектов 15
1.3.1 Устройство термоэлектрических модулей 15
1.3.2 Устройство термоэлектрических генераторов 17
1.4 КПД термоэлемента и термоэлектрическая эффективность материала 19
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ ИССЛЕДОВАНИЯ 22
2.1 Классификация термоэлектрические материалов 22
2.2 Структура Bi2Te3 23
2.3 Диаграмма состояния Bi - Te 25
2.4 Термоэлектрические свойства Bi2Te3 28
2.5 Оптические свойства Bi2Te3 29
ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ 31
3.1 Методы направленной кристаллизации 31
3.1.1 Метод Бриджмена 31
3.1.2 Метод зонной плавки 33
3.1.3 Метод Чохральского 34
3.2 Методы порошковой металлургии 36
3.2.1 Получение термоэлектрических материалов методом прессования 36
3.2.2 Метод экструзии 38
ГЛАВА 4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СПЕКТР ЭЛЕКТРОНОВ В ТЕЛЛУРИДЕ
ВИСМУТА ПО ОПТИЧЕСКИМ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ДАННЫМ 41
4.1 Монокристаллы и экспериментальные зависимости 41
4.2 Температурные зависимости и явление переноса 41
4.3 Экспериментальная картина спектров поглощения 44
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 48
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 50
С развитием технологий появляется потребность в создании новых источников энергии, в том числе и электрической. Существует множество способов получения электричества. Гидроэнергетика занимается преобразованием кинетической энергии воды в электрическую. На атомных электростанциях происходит преобразование энергии деления ядер в тепловую, а затем и в электрическую энергию.
Однако с появлением полупроводниковых термоэлектрических материалов появилась возможность прямого преобразования тепловой энергии в электрическую за счет термоэлектрических генераторов. Преобразование про-исходит по основным термоэлектрическим принципам, названным в честь великих ученых: эффект Зеебека, Пельтье и Томсона. Лучшими термоэлектрическими свойствами в интервале температур T=200-600 K обладают твердые растворы на основе теллурида висмута (Bi2Te3). [1] Несмотря на то, что исследование этих твердых растворов продолжаются уже около 70 лет. Актуальной остается задача улучшения характеристик подобных термоэлектрических ма¬териалов.
Изучение сплавов теллурида висмута, имеющих термоэлектрические свойства, во многом связано с исследованием физико-химических свойств материала. Определение легирующего действия примесей, зонная структура, технологические условия, безусловно влияют на конечные свойства термо-электрического материала. [1] Исследуя оптические свойства Bi2Te3 можно по-лучить информацию о состоянии электронной подсистемы материала, избегая при этом картины механизмов рассеяния носителей заряда.
Данная работа описывает первостепенную информацию по термоэлектричеству, которая необходима для дальнейшей экспериментальной и расчёт¬ной работы.
• Разобраны основные эффекты: явление термо-ЭДС Зеебека, явление Пельтье, эффект Томсона; гальванотермомагнитные эффекты в изотроп¬ной среде: эффект Холла, эффект Нернста-Эттингсгаузена, эффект Эттингсгаузена.
• На основании актуальных научных работ сформировано представление о материале исследования: структуре, физических, термоэлектрических и оптических свойствах материала.
• Описаны наиболее перспективные способы получения монокристаллических образцов Bi2Te3.
Полученные экспериментальные данные о явлении переноса, подтверждают сложное строение валентной зоны Bi2Te3. Эффективная масса тяжелых дырок оказалась примерно равной массе свободных электронов, т. е. т* « т0. Энергетический зазор между максимальными или минимальными значениями функции легких и тяжелых дырок Ev « 0,02 эВ.
Исследование спектров поглощения Bi2Te3 подтвердили наличие прямых и непрямых переходов с энергией 0,21 эВ и 0,14 эВ соответственно. Это ещё раз свидетельствует о сложной структуре зон исследуемого материала. Экспериментальные и расчётные зависимости находятся в согласии, что говорит о корректности проведённых работ.
Термоэлектрические элементы на основе Bi2Te3 являются крайне перспективными, с точки зрения коэффициента полезного действия и рабочих температур. Данная работа показывает, что материал требует дальнейшего изучения зонной структуры, оптических и электрических свойств, влияния примесей. Необходимо совершенствовать условия роста кристаллов и их гомогенность. Эти исследования позволят увеличить параметр 48
термоэлектрической эффективности материала (ZT), что в последствии повысит востребованность экологичных источников энергии в различных сферах человеческой жизни.
