Introducere
Pentru aplicațiile termoelectrice, se utilizează din ce în ce mai mult diferite materiale, cum ar fi telurura de bismut, telurura de plumb și skutterudita. Pentru o utilizare economică, de exemplu, în automobile sau centrale termice, este necesară o eficiență ridicată a sistemelor termoelectrice. Acest lucru este indicat de așa-numita figură de merit (ZT). Pe lângă un coeficient Seebeck ridicat și o conductivitate electrică ridicată, este necesară și o conductivitate termică scăzută. Obiectivul cercetărilor este de a reduce contribuția fononică și de a crește contribuția electronică a conductivității termice. Acest lucru poate fi realizat, de exemplu, prin dopare sau prin stabilirea condițiilor structurale (împrăștierea specifică a fononilor).
Experimental
Măsurătorile conductivității termice au fost efectuate cu LFA 457 MicroFlash® (figura 1) pe probe în formă de disc cu o grosime de 2 până la 3 mm și un diametru de 12,6 mm. Suprafețele frontale ale probelor au fost planeparalele.
Rezultate și discuții
În figura 2 sunt prezentate capacitatea termică specifică, difuzivitatea termică și conductivitatea termică a Bi0,5Sb1,5Te3 (P-38). Căldura specifică prezintă doar o ușoară creștere odată cu creșterea temperaturii. Difuzivitatea termică scade în domeniul temperaturilor joase odată cu creșterea temperaturii și crește puternic la temperaturi mai ridicate. La temperaturi scăzute, acest lucru corespunde comportamentului unui simplu conductor fononic cu dependența 1/T bine cunoscută [1]. La temperaturi mai ridicate, domină contribuția electronilor/holilor liberi care se formează tot mai mult într-un material semiconductor odată cu creșterea temperaturii. Conductivitatea termică urmează această tendință datorită dependenței scăzute de temperatură a capacității termice specifice.
Figura 3 prezintă o comparație a conductivității termice a straturilor conductoare p și n P-38 (Bi0,5Sb1,5Te3) și N38 (Bi2Se0,2Te2,8). La -150°C, conductivitatea termică pentru ambele materiale este aproximativ aceeași. Până la temperatura camerei, scăderea conductivității termice a N-38 este mai mică în comparație cu P-38. Există probabil o scădere mai puternică a contribuției fononice a conductivității termice pentru P-38.
Creșterea conductivității termice la temperaturi mai ridicate este aproximativ aceeași pentru ambele materiale. Prin urmare, se poate concluziona că valoarea contribuției electronilor/hole-urilor este aceeași pentru ambele materiale. În ambele cazuri, a fost determinată o conductivitate termică relativ scăzută. Creșterea puternică la temperaturi mai ridicate s-ar putea referi la o conductivitate electrică ridicată, presupunând o cifră de merit (ZT) ridicată pentru aceste materiale.
Rezumat
Un sistem laser flash a fost utilizat pentru investigarea proprietăților termofizice ale diferitelor materiale termoelectrice. S-a putut demonstra că metoda laser flash este potrivită pentru optimizarea materialelor termoelectrice (conductivitate redusă a rețelei și valori ZT ridicate) și pentru determinarea directă a difuzivității termice, a capacității termice specifice și a conductivității termice. Cu ajutorul LFA 457 MicroFlash®, se pot trage concluzii privind structura și compoziția optimă a materialelor termoelectrice.