Úvod
Pro termoelektrické aplikace se stále častěji používají různé materiály, jako je tellurid vizmutu, tellurid plumbitu a skutterudit. Pro ekonomické využití, například v automobilech nebo tepelných elektrárnách, se vyžaduje vysoká účinnost termoelektrických systémů. To se udává pomocí tzv. fi gury výhodnosti (ZT). Vedle vysokého Seebeckova součinitele a vysoké elektrické vodivosti se vyžaduje také nízká Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost. Cílem zkoumání je snížit fonický příspěvek a zvýšit elektronický příspěvek tepelné vodivosti. To lze realizovat například pomocí dopování nebo vytvořením strukturních podmínek (cílený rozptyl fononů).
Experimentální
Měření tepelné vodivosti bylo provedeno pomocí přístroje LFA 457 MicroFlash® (obr. 1) na diskovitých vzorcích o tloušťce 2 až 3 mm a průměru 12,6 mm. Přední plochy vzorků byly rovinné.
Výsledky a diskuse
Na obrázku 2 jsou znázorněny Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita, Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita a Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost Bi0,5Sb1,5Te3 (P-38). Měrné teplo vykazuje pouze mírný nárůst s rostoucí teplotou. Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.Tepelná difuzivita klesá v nízkoteplotní oblasti s rostoucí teplotou a silně roste při vyšších teplotách. Při nízkých teplotách to odpovídá chování pouhého fonického vodiče se známou závislostí 1/T [1]. Při vyšších teplotách dominuje příspěvek volných elektronů/děr, které se v polovodivém materiálu s rostoucí teplotou stále více tvoří. Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost sleduje tento trend v důsledku nízké teplotní závislosti měrné tepelné kapacity.
Obrázek 3 ukazuje srovnání tepelné vodivosti p- a n-vodivých vrstev P-38 (Bi0,5Sb1,5Te3) a N38 (Bi2Se0,2Te2,8). Při teplotě -150 °C je Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost obou materiálů přibližně stejná. Až do pokojové teploty je pokles tepelné vodivosti N-38 ve srovnání s P-38 nižší. U P-38 je pravděpodobně výraznější pokles fononického příspěvku k tepelné vodivosti.
Nárůst tepelné vodivosti při vyšších teplotách je u obou materiálů přibližně stejný. Lze tedy usuzovat, že velikost příspěvku elektronů/děr je u obou materiálů stejná. V obou případech byla stanovena poměrně nízká Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost. Výrazný nárůst při vyšších teplotách by se mohl týkat vysoké elektrické vodivosti za předpokladu vysokého měrného čísla (ZT) těchto materiálů.
Souhrn
Ke zkoumání termofyzikálních vlastností různých termoelektrických materiálů byl použit laserový zábleskový systém. Bylo prokázáno, že metoda laserového záblesku je vhodná pro optimalizaci termoelektrických materiálů (nízká mřížková vodivost a vysoké hodnoty ZT) a přímé stanovení tepelné difuzivity, měrné tepelné kapacity a tepelné vodivosti. Pomocí metody LFA 457 MicroFlash® lze vyvodit závěry o optimální struktuře a složení termoelektrických materiálů.