Тема: «Исследование и разработка метода получения наноструктурированных композитов на основе твёрдых растворов Bi₂Te₃ – Sb₂Te₃ с полиэдрическими углеродсилоксановыми частицами типа «ядро-оболочка».

Содержание

Введение. Литературный обзор. Термоэлектрические эффекты: эффект Зеебека, эффект Пельтье. Применение и свойства термоэлектрических материалов на основе твёрдых растворов халькогенидов висмута – сурьмы. Области применения термоэлектрических материалов. Бинарные соединения. Тройные твердые растворы. 1.3 Термоэлектрическая эффективность и пути её повышения. 1.3.1 Выбор оптимальной концентрации носителей тока. 1.3.2 Влияние рассеяния фононов на границах нанозёрен на теплопроводность наноструктурированного полупроводникового материала 1.4 Наноструктурированные композиты с наночастицами типа «ядро –оболочка». Экспериментальная часть. Синтез полиэдрических органосилсесквиоксанов (ОССО) Пиролизный отжиг полиэдрических частиц ОССО Синтез твёрдых растворов халькогенидов заданного состава сплавлением исходных компонентов Компактирование методом искрового плазменного спекания (SPS) Структурные и тэрмоэлектрические исследования образцов Исследование и обсуждение результатов. 3. Экономическая часть 4.Охрана труда и экологическая безопасность. Выводы Список использованной литературы

Введение

1. Литературный обзор

1.1. Термоэлектрические эффекты в полупроводниках: эффект Зеебека, эффект Пельтье.

Эффект термоэлектрического охлаждения был открыт и описан в 1834 году французским физиком Жаном Пельтье [1]. Это явление заключается в том, что при прохождении постоянного электрического тока через контакт (спай) двух разнородных проводников (полупроводников) на этом контакте в зависимости от направления тока поглощается или выделяется тепло

Q_П = , (3)

где Q_П – теплота Пельтье, Дж;

П – коэффициент Пельье, В;

I – сила тока, А;

t – время, с.

Причина возникновения эффекта Пельтье на контакте полупроводников с одинаковым видом носителей тока (два полупроводника n-типа или два полупроводника p-типа) такая же, как и в случае контакта двух металлических проводников. Носители тока (электроны или дырки) по разные стороны спая имеют различную среднюю энергию, которая зависит от многих причин: энергетического спектра, концентрации, механизма рассеяния носителей заряда. Если направление тока таково, что носители тока с большей энергией, пройдя через спай, попадают в область с меньшей энергией, они передают избыток энергии кристаллической решетке, в результате чего вблизи контакта происходит выделение теплоты Пельтье (Q_П>0) и температура контакта повышается. Если же направление тока таково, что носители тока с меньшей энергией, переходя в область с большей энергией, заимствуют недостающую энергию от решетки, происходит поглощение теплоты Пельтье (Q_П<0) и понижение температуры контакта.

Эффект Пельтье выражен особенно сильно в цепях, составленных из электронных (n-тип) и дырочных (р-тип) полупроводников. В этом случае эффект Пельтье имеет другое объяснение. Если ток в контакте идет от дырочного полупроводника к электронному, при этом электроны и дырки движутся навстречу друг другу и, встретившись, рекомбинируют, то в результате рекомбинации, в соответствии с рисунком 1, освобождается энергия, которая выделяется в виде тепла.

Рис. 1 - Выделение тепла Пельтье на контакте полупроводников

p- и n-типа

Если же ток идет от электронного полупроводника к дырочному, как представлено на рисунке 2, при этом электроны в электронном и дырки в дырочном полупроводниках движутся в противоположные стороны, уходя от границы раздела, то убыль носителей тока в пограничной области восполняется за счет попарного рождения электронов и дырок.

Рис. 2 - Поглощение тепла Пельтье на контакте полупроводников

p- и n-типа

На образование таких пар требуется энергия, которая поставляется тепловыми колебаниями атомов решетки. Образующиеся электроны и дырки увлекаются в противоположные стороны электрическим полем. Поэтому пока через контакт идет ток, непрерывно происходит рождение новых пар. В результате в контакте тепло будет поглощаться.

Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой.

Величина возникающей термоэдс в первом приближении зависит только от материала проводников и температур горячего () и холодного () контактов.

В небольшом интервале температур термоэдс  можно считать пропорциональной разности температур:

(4)

где  — термоэлектрическая способность пары (или коэффициент термоэдс).

В простейшем случае коэффициент термоэдс определяется только материалами проводников, однако, строго говоря, он зависит и от температуры, и в некоторых случаях с изменением температуры  меняет знак.

Более корректное выражение для термоэдс:

(5)

Возникновение эффекта Зеебека вызвано несколькими составляющими.

Различная зависимость средней энергии электронов от температуры в различных веществах.

Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; В вполупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие.

ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

Различная зависимость от температуры контактной разности потенциалов.

Контактная разность потенциалов вызвана отличием энергий Ферми у контактирующих различных проводников. При создании контакта химические потенциалыэлектронов становятся одинаковыми, и возникает контактная разность потенциалов, равная

, (6)

где  — энергия Ферми,  — заряд электрона.

На контакте тем самым существует электрическое поле, локализованное в тонком приконтактном слое. Если составить замкнутую цепь из двух металлов, то U возникает на обоих контактах. Электрическое поле будет направлено одинаковым образом в обоих контактах — от большего F к меньшему. Это значит, что если совершить обход по замкнутому контуру, то в одном контакте обход будет происходить по полю, а в другом — против поля. Циркуляция вектора Е тем самым будет равна нулю.

Если температура одного из контактов изменится на dT, то, поскольку энергия Ферми зависит от температуры, U также изменится. Но если изменилась внутренняя контактная разность потенциалов, то изменилось электрическое поле в одном из контактов, и поэтому циркуляция вектора Е будет отлична от нуля, то есть появляется ЭДС в замкнутой цепи.

Данная ЭДС называется контактная ЭДС.

Если оба контакта термоэлемента находятся при одной и той же температуре, то и контактная, и объёмная термоэдс исчезают.

1.2 Применение и свойства термоэлектрических материалов на основе твётдых растворов халькогенидов висмута – сурьмы.

1.2.1 Области применения термоэлектрических материалов.

Материалы на основе твёрдых растворов халькогенидов висмута, теллура и сурьмы широко применяются для изготовления термоэлектрических преобразователей энергии для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Термоэлектрические модули используются для производства электроэнергии путем прямого преобразования тепла в электричество. При нагревании термоэлектрического модуля, подключенного к электрической цепи, вырабатывается электроэнергия. Таким свойством обладают термоэлектрические генераторные модули (ТГМ).

В настоящее время термоэлектрические модули активно используются в таких высокотехнологичных областях, как телекоммуникации, космос, высокоточное оружие, медицина и др. Построение современных лазерных, оптических, радиоэлектронных систем немыслимо без применения охлаждающих и термостатируемых систем на базе термоэлектрических модулей. Также термоэлектрические модули активно применяются в бытовой технике: портативных холодильниках, морозильных камерах, в охладителях для питьевой воды и напитках, компактных кондиционерах и т.п.

Основные области применения термоэлектрических модулей и систем на их основе:

• Радиоэлектроника - миниатюрные охладители различных электронных устройств

• Медицина - мобильные охладительные контейнеры, медицинские инструменты и оборудование

• Научное и лабораторное оборудование

• Потребительские изделия - переносные холодильники, охладители питьевой воды и другие устройства

• Устройства климатизации - термоэлектрические кондиционеры различного назначения, устройства стабилизации температуры блоков электронной аппаратуры и т.д.

Широкие перспективы имеет применение ТЭМ в генерировании электроэнергии.

Термоэлектрический генератор позволяет непосредственно получать электричество из любого источника тепла. Преимуществом термоэлектрического генератора является отсутствие вращающихся, трущихся и других изнашиваемых частей.