熱電材料及其製備方法

熱電材料包括化學化合物和金屬合金，它們或多或少是明顯的。熱電性能.

根據獲得的熱電動勢值、熔點、機械特性以及導電性，這些材料在工業上用於三個目的：將熱能轉化為電能，用於熱電冷卻（通過電流時的熱傳遞）以及測量溫度（在高溫計中）。其中大部分是：硫化物、碳化物、氧化物、磷化物、硒化物和碲化物。

所以他們在熱電冰箱中使用 碲化鉍... 碳化矽更適合測量溫度和溫度熱電發電機 (TEG) 已經發現許多材料是有用的：碲化鉍、碲化鍺、碲化銻、碲化鉛、硒化钆、硒化銻、硒化鉍、一硫化釤、矽化鎂和錫酸鎂。

這些材料的有用特性是基於兩種效應——Seebeck 和 Peltier…塞貝克效應在於串聯連接的不同電線末端出現熱電動勢，電線之間的觸點處於不同溫度。

珀耳帖效應與塞貝克效應相反，它存在於電流通過不同導體的接觸點（連接點）時從一個導體傳遞到另一個導體時的熱能傳遞。

在某種程度上，這些影響是因為 這兩種熱電現象的原因與載流中熱平衡的擾動有關。

接下來，讓我們看看最受歡迎和搶手的熱電材料之一——碲化鉍。

人們普遍認為，工作溫度範圍低於 300 K 的材料被歸類為低溫熱電材料。這種材料的一個顯著例子就是碲化鉍 Bi2Te3。在此基礎上，獲得了許多具有不同特性的熱電化合物。

碲化鉍

碲化鉍具有菱面體晶體結構，包括一組與三階對稱軸成直角的層（五重體）。

假設 Bi-Te 化學鍵是共價鍵，Te-Te 鍵是 Waanderwal。為了獲得某種類型的電導率（電子或空穴），將過量的鉍、碲引入起始材料中，或將物質與砷、錫、銻或鉛（受體）等雜質合金化或施主：CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI 。

雜質產生高度各向異性的擴散，其在解理面方向的速度達到在液體中的擴散速度。在溫度梯度和電場的影響下，觀察到碲化鉍中雜質離子的運動。

為了獲得單晶，它們通過定向結晶 (Bridgeman) 法、Czochralski 法或區域熔化法生長。基於碲化鉍的合金的特徵在於晶體生長的顯著各向異性：沿解理面的生長速率明顯超過垂直於該平面方向的生長速率。

熱電偶是通過壓制、擠壓或連鑄生產的，而熱電薄膜傳統上是通過真空沉積生產的。碲化鉍的相圖如下所示：

碲化鉍的相圖

溫度越高，合金的熱電值越低，因為內部電導率開始受到影響。因此，在500-600 K以上的高溫下，由於禁區寬度小，不能使用這種榮耀。

為了使 Z 的熱電值即使在不是很高的溫度下也能達到最大值，盡可能進行合金化，使雜質濃度較小，從而確保較低的電導率。

為了防止單晶生長過程中濃度過冷（熱電值降低），使用了顯著的溫度梯度（高達 250 K / cm）和低的晶體生長速度（約 0.07 mm / min）。

熱電優點

鉍和鉍與銻的合金在結晶時給出屬於二面角斜面體的菱面體晶格。鉍的晶胞形狀像菱形，邊長 4.74 埃。

這種晶格中的原子排列成雙層，每個原子在雙層中有三個相鄰原子，在相鄰層中有三個相鄰原子。這些鍵在雙層內是共價鍵，層與層之間是范德華力鍵，導致所得材料的物理性質具有明顯的各向異性。

鉍單晶很容易通過帶狀重結晶、Bridgman 和 Czochralski 法生長。銻與鉍給出一系列連續的固溶體。

考慮到固相線和液相線之間的顯著差異引起的工藝特點，生長了鉍銻合金單晶。因此，由於在結晶前沿過渡到過冷狀態，熔體可以產生鑲嵌結構。

為了防止體溫過低，他們採用了大的溫度梯度——大約 20 K/cm 和低生長速率——不超過 0.3 mm/h。

鉍中載流子光譜的特點是導帶和價帶非常接近。此外，光譜參數的變化還受：壓力、磁場、雜質、溫度變化和合金本身的成分影響。

這樣，就可以控製材料中載流子光譜的參數，從而有可能獲得性能最優、熱電值最大的材料。