Pomiar przewodności cieplnej materiałów termoelektrycznych za pomocą techniki błysku laserowego

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.

1) LFA 457 MicroFlash® do pomiarów w zakresie od -125°C do 1100°C

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.

2) Właściwości termofizyczne próbki P-38

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.

3) 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 P-38 i N-38

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.

Literature

  1. [1]
    C. Kittel, H. Krömer, Thermodynamik, 5. Auflage, Oldenburg Wissenschaftsverlag GmbH, München (2001)