Giriş
Termoelektrik uygulamalar için bizmut tellür, plumb tellür ve skutterudit gibi farklı malzemeler giderek daha fazla kullanılmaktadır. Örneğin otomobillerde veya termik santrallerde ekonomik bir kullanım için termoelektrik sistemlerin yüksek verimliliğe sahip olması gerekmektedir. Bu, liyakat değeri (ZT) olarak adlandırılan değer ile gösterilir. Yüksek Seebeck katsayısı ve yüksek elektrik iletkenliğinin yanı sıra düşük Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik de gereklidir. Araştırmaların amacı, fononik katkıyı azaltmak ve termal iletkenliğin elektronik katkısını artırmaktır. Bu, örneğin doping veya yapısal koşulların oluşturulması (hedeflenen fonon saçılması) yoluyla gerçekleştirilebilir.
Deneysel
Termal iletkenlik ölçümleri LFA 457 MicroFlash® (şekil 1) ile 2-3 mm kalınlığında ve 12,6 mm çapında disk şeklindeki numuneler üzerinde gerçekleştirilmiştir. Numunelerin ön yüzeyleri düzlemseldi.
Sonuçlar ve Tartışma
Şekil 2'de Bi0,5Sb1,5Te3 'ün (P-38) spesifik ısı kapasitesi, termal difüzivitesi ve termal iletkenliği gösterilmektedir. Özgül ısı, artan sıcaklıkla birlikte sadece hafif bir artış göstermektedir. Termal difüzivite, artan sıcaklıkla birlikte düşük sıcaklık aralığında azalır ve daha yüksek sıcaklıklarda güçlü bir şekilde artar. Düşük sıcaklıklarda bu, iyi bilinen 1/T bağımlılığı ile sadece fononik bir iletkenin davranışına karşılık gelir [1]. Daha yüksek sıcaklıklarda, artan sıcaklıkla birlikte yarı iletken bir malzemede giderek daha fazla oluşan serbest elektronların / deliklerin katkısı baskındır. Termal iletkenlik, özgül ısı kapasitesinin düşük sıcaklık bağımlılığı nedeniyle bu eğilimi takip eder.
Şekil 3, P-38 (Bi0,5Sb1,5Te3) ve N38 (Bi2Se0,2Te2,8) p- ve n-iletken katmanlarının termal iletkenliklerinin karşılaştırmasını göstermektedir. 150°C'de, her iki malzeme için de Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik yaklaşık olarak aynıdır. Oda sıcaklığına kadar, N-38'in termal iletkenliğindeki azalma P-38'e kıyasla daha düşüktür. P-38 için termal iletkenliğin fononik katkısında muhtemelen daha güçlü bir azalma vardır.
Daha yüksek sıcaklıklarda termal iletkenlikteki artış her iki malzeme için de yaklaşık olarak aynıdır. Bu nedenle elektron/delik katkısının miktarının her iki malzeme için de aynı olduğu sonucuna varılabilir. Her iki durumda da nispeten düşük bir Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik tespit edilmiştir. Yüksek sıcaklıklardaki güçlü artış, bu malzemeler için yüksek bir liyakat değeri (ZT) varsayıldığında, yüksek bir elektrik iletkenliğine işaret edebilir.
Özet
Farklı termoelektrik malzemelerin termofiziksel özelliklerinin araştırılması için bir lazer flaş sistemi kullanılmıştır. Lazer flaş yönteminin termoelektrik malzemelerin optimizasyonu (düşük kafes iletkenliği ve yüksek ZT değerleri) ve Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite, özgül ısı kapasitesi ve termal iletkenliğin doğrudan belirlenmesi için çok uygun olduğu gösterilebilir. LFA 457 MicroFlash® aracılığıyla, termoelektrik malzemelerin optimum yapısı ve bileşimi hakkında sonuçlar çıkarılabilir.