Inledning
För termoelektriska tillämpningar används allt oftare olika material som vismuttellurid, lodtellurid och skutterudit. För ekonomisk användning, t.ex. i bilar eller värmekraftverk, krävs hög verkningsgrad hos de termoelektriska systemen. Detta indikeras av den så kallade fi gure of merit (ZT). Förutom en hög Seebeck-koefficientSeebeck-koefficienten är förhållandet mellan den inducerade termoelektriska spänningen och temperaturskillnaden mellan två punkter på en elektrisk ledare.Seebeck-koefficient och en hög Elektrisk konduktivitet (SBA)Elektrisk ledningsförmåga är en fysikalisk egenskap som anger ett materials förmåga att tillåta transport av en elektrisk laddning.elektrisk ledningsförmåga krävs också en låg Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga. Målet med undersökningarna är att minska det fononiska bidraget och öka det elektroniska bidraget till värmeledningsförmågan. Detta kan t.ex. åstadkommas genom dopning eller genom att skapa strukturella förhållanden (riktad fononspridning).
Experimentell
Mätningarna av värmeledningsförmågan utfördes med LFA 457 MicroFlash® (bild 1) på skivformade prover med en tjocklek på 2-3 mm och en diameter på 12,6 mm. Provkropparnas framsidor var planparallella.
Resultat och diskussion
I figur 2 visas Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.specifik värmekapacitet, värmediffusivitet och Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga för Bi0,5Sb1,5Te3 (P-38). Den specifika värmen visar endast en liten ökning med ökande temperatur. Den termiska diffusiviteten minskar i lågtemperaturområdet med ökande temperatur och ökar kraftigt vid högre temperaturer. Vid låga temperaturer motsvarar detta beteendet hos en ren fononisk ledare med det välkända 1/T-beroendet [1]. Vid högre temperaturer dominerar bidraget från de fria elektroner/hål som bildas i allt högre grad i ett halvledande material med ökande temperatur. Den termiska konduktiviteten följer denna trend på grund av det låga temperaturberoendet hos den specifika värmekapaciteten.
Figur 3 visar en jämförelse av värmeledningsförmågan hos de p- och n-ledande skikten P-38 (Bi0,5Sb1,5Te3) och N38 (Bi2Se0,2Te2,8). Vid -150°C är värmeledningsförmågan för båda materialen ungefär densamma. Upp till rumstemperatur är minskningen av värmeledningsförmågan för N-38 lägre jämfört med P-38. Det finns förmodligen en starkare minskning av det fononiska bidraget till värmeledningsförmågan för P-38.
Ökningen av värmeledningsförmågan vid högre temperaturer är ungefär densamma för båda materialen. Man kan därför dra slutsatsen att storleken på elektron/hål-bidraget är densamma för båda materialen. I båda fallen bestämdes en jämförelsevis låg Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga. Den kraftiga ökningen vid högre temperaturer kan bero på en hög elektrisk konduktivitet, vilket förutsätter en hög ZT (figure of merit) för dessa material.
Sammanfattning
Ett laserblixt-system användes för att undersöka de termofysikaliska egenskaperna hos olika termoelektriska material. Det kunde påvisas att laserflashmetoden är väl lämpad för optimering av termoelektriska material (låg gitterkonduktivitet och höga ZT-värden) och direkt bestämning av Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheten mm2/s) är en materialspecifik egenskap för att karakterisera instationär värmeledning. Detta värde beskriver hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring.termisk diffusivitet, Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.specifik värmekapacitet och Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga. Med hjälp av LFA 457 MicroFlash® kan slutsatser dras om den optimala strukturen och sammansättningen av termoelektriska material.