Materiales termoeléctricos y métodos para su preparación.
Los materiales termoeléctricos incluyen compuestos químicos y aleaciones de metales, que son más o menos pronunciados. propiedades termoelectricas.
Dependiendo del valor de la termo-EMF obtenida, del punto de fusión, de las características mecánicas, así como de la conductividad eléctrica, estos materiales se utilizan en la industria para tres fines: para la conversión de calor en electricidad, para refrigeración termoeléctrica (transferencia de calor al paso de corriente eléctrica) y también para medir temperatura (en pirometría). La mayoría de ellos son: sulfuros, carburos, óxidos, fosfuros, seleniuros y teluros.
Entonces en los refrigeradores termoeléctricos usan telururo de bismuto... El carburo de silicio es más adecuado para medir temperaturas y c generadores termoeléctricos (TEG) Se ha encontrado que varios materiales son útiles: telururo de bismuto, telururo de germanio, telururo de antimonio, telururo de plomo, seleniuro de gadolinio, seleniuro de antimonio, seleniuro de bismuto, monosulfuro de samario, siliciuro de magnesio y estannita de magnesio.
Las propiedades útiles de estos materiales se basan en en dos efectos: Seebeck y Peltier… El efecto Seebeck consiste en la aparición de termo-EMF en los extremos de diferentes cables conectados en serie, cuyos contactos están a diferentes temperaturas.
El efecto Peltier es lo opuesto al efecto Seebeck y consiste en la transferencia de energía térmica cuando una corriente eléctrica pasa por los puntos de contacto (uniones) de diferentes conductores, de un conductor a otro.
Hasta cierto punto, estos efectos son uno ya que la causa de los dos fenómenos termoeléctricos está relacionada con una perturbación del equilibrio térmico en el flujo portador.
A continuación, veamos uno de los materiales termoeléctricos más populares y buscados: el telururo de bismuto.
En general, se acepta que los materiales con un rango de temperatura de funcionamiento inferior a 300 K se clasifican como materiales termoeléctricos de baja temperatura. Un ejemplo llamativo de tal material es simplemente el telururo de bismuto Bi2Te3. Sobre su base, se obtienen muchos compuestos termoeléctricos con diferentes características.
El telururo de bismuto tiene una estructura cristalográfica romboédrica que incluye un conjunto de capas (quintetos) en ángulo recto con el eje de simetría de tercer orden.
Se supone que el enlace químico Bi-Te es covalente y el enlace Te-Te es Waanderwal. Para obtener un determinado tipo de conductividad (electrónica o de hueco), se introduce en el material de partida un exceso de bismuto, telurio o se alea la sustancia con impurezas como arsénico, estaño, antimonio o plomo (aceptores) o donantes: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI.
Las impurezas dan una difusión altamente anisotrópica, su velocidad en la dirección del plano de ruptura alcanza la velocidad de difusión en líquidos.Bajo la influencia de un gradiente de temperatura y un campo eléctrico, se observa el movimiento de iones de impurezas en el telururo de bismuto.
Para obtener monocristales, se cultivan mediante el método de cristalización direccional (Bridgeman), el método Czochralski o la fusión por zonas. Las aleaciones basadas en telururo de bismuto se caracterizan por una pronunciada anisotropía del crecimiento de los cristales: la tasa de crecimiento a lo largo del plano de ruptura supera significativamente la tasa de crecimiento en la dirección perpendicular a este plano.
Los termopares se producen por prensado, extrusión o colada continua, mientras que las películas termoeléctricas se producen tradicionalmente por deposición al vacío. El diagrama de fase para el telururo de bismuto se muestra a continuación:
Cuanto mayor sea la temperatura, menor será el valor termoeléctrico de la aleación, ya que la conductividad interna comienza a afectar.Por lo tanto, a altas temperaturas, por encima de 500-600 K, esta gloria no se puede utilizar simplemente por el pequeño ancho de la zona prohibida.
Para que el valor termoeléctrico de Z sea máximo incluso a temperaturas no muy altas, la aleación se realiza lo mejor posible para que la concentración de impurezas sea menor, lo que garantizaría una conductividad eléctrica más baja.
Para evitar el sobreenfriamiento de la concentración (reducción del valor termoeléctrico) en el proceso de crecimiento de un solo cristal, se utilizan gradientes de temperatura significativos (hasta 250 K/cm) y una baja velocidad de crecimiento del cristal (alrededor de 0,07 mm/min).
El bismuto y las aleaciones de bismuto con antimonio al cristalizar dan una red romboédrica que pertenece al diédrico escaleneedro.La celda unitaria del bismuto tiene forma de romboedro con aristas de 4,74 angstroms de largo.
Los átomos en dicha red están dispuestos en capas dobles, cada átomo tiene tres vecinos en una capa doble y tres en una capa adyacente. Los enlaces son covalentes dentro de la bicapa y los enlaces de van der Waals entre las capas, lo que da como resultado una fuerte anisotropía de las propiedades físicas de los materiales resultantes.
Los monocristales de bismuto se cultivan fácilmente mediante recristalización zonal, métodos de Bridgman y Czochralski. El antimonio con bismuto da una serie continua de soluciones sólidas.
Se cultiva un monocristal de aleación de bismuto-antimonio teniendo en cuenta las características tecnológicas causadas por una diferencia significativa entre las líneas solidus y liquidus. Por lo tanto, la masa fundida puede dar una estructura de mosaico debido a la transición a un estado sobreenfriado en el frente de cristalización.
Para evitar la hipotermia, recurren a un gran gradiente de temperatura —unos 20 K/cm y una baja tasa de crecimiento— no superior a 0,3 mm/h.
La peculiaridad del espectro de portadores de corriente en el bismuto es que las bandas de conducción y valencia están bastante próximas. Además, el cambio en los parámetros del espectro se ve afectado por: la presión, el campo magnético, las impurezas, los cambios de temperatura y la composición de la propia aleación.
De esta forma se pueden controlar los parámetros del espectro de portadores de corriente en el material, lo que permite obtener un material con propiedades óptimas y valor termoeléctrico máximo.
Ver también:Elemento Peltier: cómo funciona y cómo verificar y conectar