Введение
Для термоэлектрических применений все чаще используются различные материалы, такие как теллурид висмута, теллурид плюмажа и скуттерудит. Для экономичного использования, например, в автомобилях или на тепловых электростанциях, требуется высокая эффективность термоэлектрических систем. На это указывает так называемый коэффициент полезного действия (ZT). Наряду с высоким коэффициентом Зеебека и высокой электропроводностью требуется также низкая теплопроводность. Цель исследований - уменьшить фононный вклад и увеличить электронный вклад в теплопроводность. Это может быть реализовано, например, с помощью легирования или создания структурных условий (направленное рассеяние фононов).
Экспериментальный
Измерения теплопроводности проводились с помощью прибора LFA 457 MicroFlash® (рис. 1) на образцах в форме диска толщиной 2-3 мм и диаметром 12,6 мм. Передние поверхности образцов были плоскопараллельны.
Результаты и обсуждение
На рисунке 2 показаны удельная теплоемкость, теплопроводность и температуропроводность Bi0,5Sb1,5Te3 (P-38). Удельная теплоемкость незначительно увеличивается с ростом температуры. Теплопроводность уменьшается в низкотемпературном диапазоне с ростом температуры и сильно увеличивается при более высоких температурах. При низких температурах это соответствует поведению простого фононного проводника с хорошо известной зависимостью 1/T [1]. При более высоких температурах доминирует вклад свободных электронов/дырок, которые все больше образуются в полупроводниковом материале с ростом температуры. Теплопроводность следует этой тенденции из-за низкой температурной зависимости удельной теплоемкости.
На рисунке 3 показано сравнение теплопроводности p- и n-проводящих слоев P-38 (Bi0,5Sb1,5Te3) и N38 (Bi2Se0,2Te2,8). При температуре -150°C теплопроводность обоих материалов примерно одинакова. До комнатной температуры снижение теплопроводности N-38 меньше по сравнению с P-38. Вероятно, фононный вклад в теплопроводность для P-38 уменьшается сильнее.
Увеличение теплопроводности при более высоких температурах примерно одинаково для обоих материалов. Поэтому можно сделать вывод, что величина вклада электронов/дырок одинакова для обоих материалов. В обоих случаях была определена сравнительно низкая теплопроводность. Сильное увеличение при более высоких температурах может относиться к высокой электропроводности, предполагающей высокий коэффициент полезного действия (ZT) для этих материалов.
Резюме
Для исследования теплофизических свойств различных термоэлектрических материалов была использована система лазерной вспышки. Было показано, что метод лазерной вспышки хорошо подходит для оптимизации термоэлектрических материалов (низкая решеточная проводимость и высокие значения ZT) и прямого определения теплопроводности, удельной теплоемкости и теплопроводности. С помощью LFA 457 MicroFlash® можно сделать выводы об оптимальной структуре и составе термоэлектрических материалов.