Εισαγωγή
Για θερμοηλεκτρικές εφαρμογές, χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο διάφορα υλικά όπως το τελλουρίδιο του βισμούθιου, το τελλουρίδιο του υδραργύρου και ο σκουτερουδίτης. Για μια οικονομική χρήση, για παράδειγμα σε αυτοκίνητα ή θερμοηλεκτρικούς σταθμούς, απαιτείται υψηλή απόδοση των θερμοηλεκτρικών συστημάτων. Αυτό υποδεικνύεται από τον λεγόμενο συντελεστή απόδοσης (ZT). Μαζί με υψηλό συντελεστή Seebeck και υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, απαιτείται επίσης χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Στόχος των ερευνών είναι η μείωση της φωνονικής συνεισφοράς και η αύξηση της ηλεκτρονικής συνεισφοράς της θερμικής αγωγιμότητας. Αυτό μπορεί, για παράδειγμα, να πραγματοποιηθεί μέσω ντοπαρίσματος ή δημιουργίας δομικών συνθηκών (στοχευμένη σκέδαση φωνονίων).
Πειραματικό
Οι μετρήσεις θερμικής αγωγιμότητας πραγματοποιήθηκαν με το LFA 457 MicroFlash® (σχήμα 1) σε δισκοειδή δείγματα πάχους 2 έως 3 mm και διαμέτρου 12,6 mm. Οι εμπρόσθιες επιφάνειες των δειγμάτων ήταν επίπεδες.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο σχήμα 2 παρουσιάζονται η ειδική θερμοχωρητικότητα, η θερμική διαχυτότητα και η θερμική αγωγιμότητα του Bi0,5Sb1,5Te3 (P-38). Η ειδική θερμοχωρητικότητα παρουσιάζει μικρή μόνο αύξηση με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η θερμική διαχυτότητα μειώνεται στην περιοχή χαμηλών θερμοκρασιών με την αύξηση της θερμοκρασίας και αυξάνεται έντονα σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, αυτό αντιστοιχεί στη συμπεριφορά ενός απλού φωνονικού αγωγού με τη γνωστή εξάρτηση 1/T [1]. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, κυριαρχεί η συμβολή των ελεύθερων ηλεκτρονίων/οπών που σχηματίζονται όλο και περισσότερο σε ένα ημιαγώγιμο υλικό με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η θερμική αγωγιμότητα ακολουθεί αυτή την τάση λόγω της χαμηλής θερμοκρασιακής εξάρτησης της ειδικής θερμοχωρητικότητας.
Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται η σύγκριση της θερμικής αγωγιμότητας των p- και n-αγώγιμων στρωμάτων P-38 (Bi0,5Sb1,5Te3) και N38 (Bi2Se0,2Te2,8). Στους -150°C, η θερμική αγωγιμότητα και για τα δύο υλικά είναι περίπου η ίδια. Μέχρι τη θερμοκρασία δωματίου, η μείωση της θερμικής αγωγιμότητας του N-38 είναι μικρότερη σε σύγκριση με το P-38. Πιθανώς υπάρχει μεγαλύτερη μείωση της φωνονικής συνεισφοράς της θερμικής αγωγιμότητας για το P-38.
Η αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας σε υψηλότερες θερμοκρασίες είναι περίπου η ίδια και για τα δύο υλικά. Μπορεί επομένως να συναχθεί το συμπέρασμα ότι το ποσό της συνεισφοράς ηλεκτρονίων/οπών είναι το ίδιο και για τα δύο υλικά. Και στις δύο περιπτώσεις προσδιορίστηκε συγκριτικά χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Η έντονη αύξηση σε υψηλότερες θερμοκρασίες θα μπορούσε να αναφέρεται σε υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, υποθέτοντας υψηλό δείκτη αξίας (ZT) για τα υλικά αυτά.
Περίληψη
Για τη διερεύνηση των θερμοφυσικών ιδιοτήτων διαφόρων θερμοηλεκτρικών υλικών χρησιμοποιήθηκε ένα σύστημα laser flash. Θα μπορούσε να αποδειχθεί ότι η μέθοδος laser flash είναι κατάλληλη για τη βελτιστοποίηση θερμοηλεκτρικών υλικών (χαμηλή αγωγιμότητα πλέγματος και υψηλές τιμές ZT) και τον άμεσο προσδιορισμό της θερμικής διαχυτότητας, της ειδικής θερμοχωρητικότητας και της θερμικής αγωγιμότητας. Μέσω του LFA 457 MicroFlash®, μπορούν να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με τη βέλτιστη δομή και σύνθεση των θερμοηλεκτρικών υλικών.