热电材料及其制备方法

热电材料包括化学化合物和金属合金，它们或多或少是明显的。热电性能.

根据获得的热电动势值、熔点、机械特性以及导电性，这些材料在工业上用于三个目的：将热能转化为电能，用于热电冷却（通过电流时的热传递）以及测量温度（在高温计中）。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。

所以他们在热电冰箱中使用 碲化铋... 碳化硅更适合测量温度和温度热电发电机 (TEG) 已经发现许多材料是有用的：碲化铋、碲化锗、碲化锑、碲化铅、硒化钆、硒化锑、硒化铋、一硫化钐、硅化镁和锡酸镁。

这些材料的有用特性是基于两种效应——Seebeck 和 Peltier…塞贝克效应在于串联连接的不同电线末端出现热电动势，电线之间的触点处于不同温度。

珀耳帖效应与塞贝克效应相反，它存在于电流通过不同导体的接触点（连接点）时从一个导体传递到另一个导体时的热能传递。

在某种程度上，这些影响是因为 这两种热电现象的原因与载流中热平衡的扰动有关。

接下来，让我们看看最受欢迎和抢手的热电材料之一——碲化铋。

人们普遍认为，工作温度范围低于 300 K 的材料被归类为低温热电材料。这种材料的一个显着例子就是碲化铋 Bi2Te3。在此基础上，获得了许多具有不同特性的热电化合物。

碲化铋

碲化铋具有菱面体晶体结构，包括一组与三阶对称轴成直角的层（五重体）。

假设 Bi-Te 化学键是共价键，Te-Te 键是 Waanderwal。为了获得某种类型的电导率（电子或空穴），将过量的铋、碲引入起始材料中，或将物质与砷、锡、锑或铅（受体）等杂质合金化或施主：CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI 。

杂质产生高度各向异性的扩散，其在解理面方向的速度达到在液体中的扩散速度。在温度梯度和电场的影响下，观察到碲化铋中杂质离子的运动。

为了获得单晶，它们通过定向结晶 (Bridgeman) 法、Czochralski 法或区域熔化法生长。基于碲化铋的合金的特征在于晶体生长的显着各向异性：沿解理面的生长速率明显超过垂直于该平面方向的生长速率。

热电偶是通过压制、挤压或连铸生产的，而热电薄膜传统上是通过真空沉积生产的。碲化铋的相图如下所示：

碲化铋的相图

温度越高，合金的热电值越低，因为内部电导率开始受到影响。因此，在500-600 K以上的高温下，由于禁区宽度小，这种荣耀不能使用。

为了使 Z 的热电值即使在不是很高的温度下也能达到最大值，尽可能进行合金化，使杂质浓度较小，从而确保较低的电导率。

为了防止单晶生长过程中浓度过冷（热电值降低），使用了显着的温度梯度（高达 250 K / cm）和低晶体生长速度（约 0.07 mm / min）。

热电优点

铋和铋与锑的合金在结晶时给出属于二面角斜面体的菱面体晶格。铋的晶胞形状像菱形，边长 4.74 埃。

这种晶格中的原子排列成双层，每个原子在双层中有三个相邻原子，在相邻层中有三个相邻原子。这些键在双层内是共价键，层与层之间是范德华力键，导致所得材料的物理性质具有明显的各向异性。

铋单晶很容易通过带状重结晶、Bridgman 和 Czochralski 法生长。锑与铋给出一系列连续的固溶体。

考虑到固相线和液相线之间的显着差异引起的工艺特点，生长了铋锑合金单晶。因此，由于在结晶前沿过渡到过冷状态，熔体可以产生镶嵌结构。

为了防止体温过低，他们采用了大的温度梯度——大约 20 K/cm 和低生长速率——不超过 0.3 mm/h。

铋中载流子光谱的特点是导带和价带非常接近。此外，光谱参数的变化还受：压力、磁场、杂质、温度变化和合金本身的成分影响。

这样，就可以控制材料中载流子光谱的参数，从而有可能获得性能最优、热电值最大的材料。