Inleiding
Voor thermo-elektrische toepassingen worden steeds meer verschillende materialen gebruikt, zoals bismut-telluride, loodtelluride en skutterudiet. Voor economisch gebruik, bijvoorbeeld in auto's of thermische centrales, is een hoog rendement van de thermo-elektrische systemen vereist. Dit wordt aangegeven door de zogenaamde 'fi gure of merit' (ZT). Naast een hoge Seebeck-coëfficiënt en een hoge Elektrisch geleidingsvermogen (SBA)Elektrische geleidbaarheid is een fysische eigenschap die het vermogen van een materiaal aangeeft om het transport van een elektrische lading mogelijk te maken.elektrische geleidbaarheid is ook een lage Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid vereist. Het doel van het onderzoek is om de fononische bijdrage te verminderen en de elektronische bijdrage van het warmtegeleidingsvermogen te verhogen. Dit kan bijvoorbeeld worden gerealiseerd door middel van dotering of het creëren van structurele voorwaarden (gerichte fononverstrooiing).
Experimenteel
De thermische geleidbaarheidsmetingen werden uitgevoerd met de LFA 457 MicroFlash® (figuur 1) op schijfvormige proefstukken met een dikte van 2 tot 3 mm en een diameter van 12,6 mm. De vooroppervlakken van de monsters waren planeparallel.
Resultaten en discussie
Getoond in figuur 2 zijn de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit, Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie en Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van Bi0,5Sb1,5Te3 (P-38). De soortelijke warmte vertoont slechts een lichte stijging met toenemende temperatuur. De Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie neemt bij lage temperaturen af met toenemende temperatuur en neemt sterk toe bij hogere temperaturen. Bij lage temperaturen komt dit overeen met het gedrag van een louter fononische geleider met de bekende 1/T-afhankelijkheid [1]. Bij hogere temperaturen domineert de bijdrage van de vrije elektronen/gaten die in toenemende mate gevormd worden in een halfgeleidend materiaal met toenemende temperatuur. De Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid volgt deze trend vanwege de lage temperatuurafhankelijkheid van de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit.
Figuur 3 toont de vergelijking van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van de p- en n-geleidende lagen P-38 (Bi0,5Sb1,5Te3) en N38 (Bi2Se0,2Te2,8). Bij -150°C is de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid voor beide materialen ongeveer gelijk. Tot kamertemperatuur is de afname in warmtegeleiding van N-38 kleiner dan die van P-38. Er is waarschijnlijk een sterkere afname in warmtegeleiding dan bij P-38. Er is waarschijnlijk een sterkere afname in de fononische bijdrage van het warmtegeleidingsvermogen voor P-38.
De toename in warmtegeleiding bij hogere temperaturen is ongeveer gelijk voor beide materialen. Daarom kan worden geconcludeerd dat de elektron/gatbijdrage voor beide materialen gelijk is. In beide gevallen werd een relatief laag warmtegeleidingsvermogen bepaald. De sterke toename bij hogere temperaturen zou kunnen verwijzen naar een hoge Elektrisch geleidingsvermogen (SBA)Elektrische geleidbaarheid is een fysische eigenschap die het vermogen van een materiaal aangeeft om het transport van een elektrische lading mogelijk te maken.elektrische geleidbaarheid, uitgaande van een hoog prestatiegetal (ZT) voor deze materialen.
Samenvatting
Een laserflitssysteem werd gebruikt voor het onderzoek van de thermofysische eigenschappen van verschillende thermo-elektrische materialen. Aangetoond kon worden dat de laserflitsmethode zeer geschikt is voor het optimaliseren van thermo-elektrische materialen (lage roostergeleidbaarheid en hoge ZT-waarden) en directe bepaling van de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie, Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit en Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid. Met behulp van de LFA 457 MicroFlash® kunnen conclusies worden getrokken over de optimale structuur en samenstelling van thermo-elektrische materialen.