مقدمة
بالنسبة للتطبيقات الكهروحرارية الحرارية، يتم استخدام مواد مختلفة مثل تيلورايد البزموت وتيلورايد البلمبوت والسكوتيروديت بشكل متزايد. وللاستخدام الاقتصادي، على سبيل المثال، في السيارات أو محطات الطاقة الحرارية، يلزم وجود كفاءة عالية للأنظمة الكهروحرارية. ويشار إلى ذلك بما يسمى بمعيار الجدارة (ZT). وإلى جانب معامل سيبيك العالي والموصلية الكهربائية العالية، يلزم أيضًا وجود موصلية حرارية منخفضة. الهدف من التحقيقات هو تقليل المساهمة الصوتية وزيادة المساهمة الإلكترونية للتوصيل الحراري. يمكن تحقيق ذلك، على سبيل المثال، عن طريق التخدير أو إنشاء ظروف هيكلية (التشتت الفونوني المستهدف).
تجريبي
أُجريت قياسات التوصيل الحراري باستخدام جهاز LFA 457 MicroFlash® (الشكل 1) على عينات على شكل قرص بسُمك يتراوح بين 2 إلى 3 مم وقطر 12.6 مم. كانت الأسطح الأمامية للعينات مستوية.
النتائج والمناقشة
يظهر في الشكل 2 السعة الحرارية النوعية والانتشار الحراري والتوصيل الحراري ل Bi0,5Sb1,5Te3 (P-38). تُظهر الحرارة النوعية زيادة طفيفة فقط مع زيادة درجة الحرارة. تتناقص الانتشارية الحرارية في نطاق درجات الحرارة المنخفضة مع زيادة درجة الحرارة وتزداد بشدة في درجات الحرارة الأعلى. في درجات الحرارة المنخفضة، يتوافق هذا مع سلوك الموصل الصوتي المجرد مع الاعتماد المعروف 1/T [1]. في درجات الحرارة المرتفعة، تهيمن مساهمة الإلكترونات/الثقوب الحرة التي تتشكل بشكل متزايد في مادة شبه موصلة مع زيادة درجة الحرارة. تتبع الموصلية الحرارية هذا الاتجاه بسبب الاعتماد المنخفض على درجة الحرارة المنخفضة للسعة الحرارية النوعية.
يوضح الشكل 3 مقارنة بين التوصيلية الحرارية للطبقات الموصلة p وn الموصلة P-38 (Bi0,5Sb1,5Te3) وN38 (Bi2Se0,2Te2,8). عند درجة حرارة -150 درجة مئوية، تكون الموصلية الحرارية لكلا المادتين متساوية تقريبًا. حتى درجة حرارة الغرفة، يكون الانخفاض في الموصلية الحرارية لـ N-38 أقل مقارنةً بـ P-38. ربما يكون هناك انخفاض أقوى في المساهمة الصوتية للتوصيل الحراري لـ P-38.
وتكون الزيادة في الموصلية الحرارية عند درجات الحرارة الأعلى متماثلة تقريبًا لكلا المادتين. ومن ثم يمكن استنتاج أن مقدار مساهمة الإلكترون/الثقب هو نفسه في كلتا المادتين. في كلتا الحالتين، تم تحديد موصلية حرارية منخفضة نسبيًا. يمكن أن تشير الزيادة القوية عند درجات الحرارة الأعلى إلى موصلية كهربائية عالية، بافتراض وجود رقم استحقاق مرتفع (ZT) لهذه المواد.
الملخص
استُخدم نظام وميض الليزر لفحص الخواص الفيزيائية الحرارية لمختلف المواد الكهروحرارية. ويمكن إثبات أن طريقة الوميض الليزري مناسبة تمامًا لتحسين المواد الكهروحرارية الحرارية (الموصلية الشبكية المنخفضة وقيم ZT العالية) والتحديد المباشر للانتشار الحراري والسعة الحرارية النوعية والتوصيل الحراري. يمكن استخلاص استنتاجات بشأن البنية والتركيب الأمثل للمواد الكهروحرارية الحرارية الكهربائية عن طريق الوميض الميكروفلوري LFA 457.