Johdanto
Lämpösähköisissä sovelluksissa käytetään yhä useammin erilaisia materiaaleja, kuten vismuttitelluridia, luumutelluridia ja skutterudiittia. Taloudellinen käyttö esimerkiksi autoissa tai lämpövoimalaitoksissa edellyttää lämpösähköisten järjestelmien korkeaa hyötysuhdetta. Tämä ilmaistaan niin sanotulla ansioluvulla (ZT). Suuren Seebeck-kertoimen ja korkean sähkönjohtavuuden lisäksi tarvitaan myös alhainen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus. Tutkimusten tavoitteena on vähentää fononista osuutta ja lisätä elektronista osuutta lämmönjohtavuudessa. Tämä voidaan toteuttaa esimerkiksi seostamalla tai luomalla rakenteellisia olosuhteita (kohdennettu fononisironta).
Kokeellinen
Lämmönjohtavuusmittaukset suoritettiin LFA 457 MicroFlash® (kuva 1) -laitteella levynmuotoisille näytteille, joiden paksuus oli 2-3 mm ja halkaisija 12,6 mm. Näytteiden etupinnat olivat samansuuntaiset.
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 2 on esitetty Bi0,5Sb1,5Te3 (P-38) -materiaalin erityinen lämpökapasiteetti, lämpödiffuusiokyky ja LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus. Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.Ominaislämpökapasiteetti kasvaa vain vähän lämpötilan noustessa. Lämpödiffuusiokyky pienenee matalissa lämpötiloissa lämpötilan noustessa ja kasvaa voimakkaasti korkeammissa lämpötiloissa. Alhaisissa lämpötiloissa tämä vastaa pelkän fononisen johtajan käyttäytymistä, jolla on tunnettu 1/T-riippuvuus [1]. Korkeammissa lämpötiloissa vallitsee vapaiden elektronien/aukkojen osuus, joita muodostuu yhä enemmän puolijohtavassa materiaalissa lämpötilan kasvaessa. LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.Lämmönjohtavuus seuraa tätä suuntausta, mikä johtuu ominaislämpökapasiteetin alhaisesta lämpötilariippuvuudesta.
Kuvassa 3 esitetään p- ja n-johtavien kerrosten P-38 (Bi0,5Sb1,5Te3) ja N38 (Bi2Se0,2Te2,8) lämmönjohtavuuden vertailu. Molempien materiaalien LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on -150 °C:ssa suunnilleen sama. Huoneenlämpötilaan asti N-38:n lämmönjohtavuuden lasku on pienempi kuin P-38:n. P-38:n lämmönjohtavuuden fononinen osuus laskee todennäköisesti voimakkaammin.
Lämmönjohtavuuden kasvu korkeammissa lämpötiloissa on suunnilleen sama molemmilla materiaaleilla. Näin ollen voidaan päätellä, että elektronien/aukkojen osuus on sama molemmissa materiaaleissa. Molemmissa tapauksissa määritettiin verrattain alhainen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus. Voimakas nousu korkeammissa lämpötiloissa voisi viitata korkeaan sähkönjohtavuuteen, jos oletetaan, että näiden materiaalien teholuku (ZT) on korkea.
Yhteenveto
Erilaisten lämpösähköisten materiaalien termofysikaalisten ominaisuuksien tutkimiseen käytettiin lasersalamajärjestelmää. Voidaan osoittaa, että lasersalamamenetelmä soveltuu hyvin lämpösähköisten materiaalien optimointiin (alhainen hilanjohtavuus ja korkeat ZT-arvot) ja lämpödiffuusiokyvyn, ominaislämpökapasiteetin ja lämmönjohtavuuden suoraan määrittämiseen. LFA 457 MicroFlash® avulla voidaan tehdä päätelmiä lämpösähköisten materiaalien optimaalisesta rakenteesta ja koostumuksesta.