Wprowadzenie
Do zastosowań termoelektrycznych coraz częściej wykorzystuje się różne materiały, takie jak tellurek bizmutu, tellurek pionu i skutterudyt. Do ekonomicznego wykorzystania, na przykład w samochodach lub elektrowniach cieplnych, wymagana jest wysoka wydajność systemów termoelektrycznych. Wskazuje na to tzw. współczynnik dobroci (ZT). Oprócz wysokiego współczynnika Seebecka i wysokiej przewodności elektrycznej, wymagana jest również niska Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna. Celem badań jest zmniejszenie udziału fononów i zwiększenie udziału elektronów w przewodnictwie cieplnym. Można to osiągnąć na przykład poprzez domieszkowanie lub ustalenie warunków strukturalnych (ukierunkowane rozpraszanie fononów).
Eksperymentalny
Pomiary przewodności cieplnej przeprowadzono za pomocą urządzenia LFA 457 MicroFlash® (rysunek 1) na próbkach w kształcie dysku o grubości od 2 do 3 mm i średnicy 12,6 mm. Powierzchnie czołowe próbek były płasko-równoległe.
Wyniki i dyskusja
Na rysunku 2 przedstawiono pojemność cieplną, dyfuzyjność cieplną i przewodność cieplną Bi0,5Sb1,5Te3 (P-38). Ciepło właściwe wykazuje jedynie niewielki wzrost wraz ze wzrostem temperatury. Dyfuzyjność cieplna maleje w zakresie niskich temperatur wraz ze wzrostem temperatury i silnie wzrasta w wyższych temperaturach. W niskich temperaturach odpowiada to zachowaniu zwykłego przewodnika fononowego z dobrze znaną zależnością 1/T [1]. W wyższych temperaturach dominuje wkład wolnych elektronów/dziur, które są coraz częściej tworzone w materiale półprzewodnikowym wraz ze wzrostem temperatury. Przewodnictwo cieplne podąża za tym trendem ze względu na niską zależność pojemności cieplnej właściwej od temperatury.
Rysunek 3 przedstawia porównanie przewodności cieplnej warstw przewodzących p i n P-38 (Bi0,5Sb1,5Te3) i N38 (Bi2Se0,2Te2,8). W temperaturze -150°C Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna dla obu materiałów jest w przybliżeniu taka sama. Do temperatury pokojowej spadek przewodności cieplnej N-38 jest niższy w porównaniu do P-38. Prawdopodobnie występuje silniejszy spadek udziału fononowego w przewodności cieplnej dla P-38.
Wzrost przewodności cieplnej w wyższych temperaturach jest w przybliżeniu taki sam dla obu materiałów. Można zatem stwierdzić, że wkład elektronów/dziur jest taki sam dla obu materiałów. W obu przypadkach określono stosunkowo niską przewodność cieplną. Silny wzrost w wyższych temperaturach może odnosić się do wysokiej przewodności elektrycznej, przy założeniu wysokiego współczynnika przewodności elektrycznej (ZT) dla tych materiałów.
Podsumowanie
Laserowy system błyskowy został wykorzystany do badania właściwości termofizycznych różnych materiałów termoelektrycznych. Wykazano, że metoda błysku laserowego dobrze nadaje się do optymalizacji materiałów termoelektrycznych (niska przewodność sieciowa i wysokie wartości ZT) oraz bezpośredniego określania dyfuzyjności cieplnej, pojemności cieplnej właściwej i przewodności cieplnej. Za pomocą LFA 457 MicroFlash® można wyciągnąć wnioski na temat optymalnej struktury i składu materiałów termoelektrycznych.