Повышение термоэлектрической добротности за счет...

Повышение термоэлектрической добротности за счет использования

наноматериалов.

Новиков Григорий Викторович

Физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова2010 г.

Термоэлектрические материалы (ТМ) - принципы

Эффект Зеебека:Явление возникновения ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах.

Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом.

E = S(T2 – T1),где S – коэффициент Зеебека

Термоэлектрические материалы (ТМ) - принципы

Эффект Пельтье:При протекании тока через цепь, составленную из двух разнородных проводников, на одном спае произойдет выделение, а на другом – поглощение тепла.

Термоэлектрические материалы (ТМ) - принципы

Термоэлектрическое устройство

Термоэлектрические материалы (ТМ) - принципы

Добротность термоэлектрика:

ZT = TS²σ/κ

Т – абсолютная температура, К

S – коэффициент Зеебека, В/К

σ – удельная электропроводность, См/м

κ – коэффициент теплопроводности, Вт/м*К

Современные ТМ

• На основе Bi2Te3 с добавлением Ge, Sb, Pb, I, …

• Созданы в 1950-х годах• ZT ≈ 0.9 при 300 К• Применимы при 160K<T<350K

• Легированные сплавы Si/Ge• ZT ≈ 0.6 при 1000 К

Малая добротность => малое КПД!!!

Современные ТМ

Используются для:– охлаждения ИК-детекторов,

– в РС-процессорах,

– в холодильных сумках

Ожидаемое применение при ZT>2:– холодильники, не имеющие компрессора и фреона,

– быстрые охладители, зеркальные аналоги микроволновых печей

– сверхпроводниковая электроника

Современные ТМ

Принципы оптимизации термоэлектриков

1. Увеличение электропроводности

2. Увеличение коэффициента Зеебека

3. Уменьшение теплопроводности

И в этом нам поможет…

НАНО!!!

Наночастицы и наноструктуры

Принципы действия:1. Увеличение плотности состояния вблизи EF увеличение S ⇒

при снижении σ2. Увеличение числа границ раздела и уменьшение размера

частиц снижение κ при неизменных S и σ⇒

Проблема:

Не удается существенно повысить ZT…

Сверхрешетки

Наилучшие значения ZT среди всех известных материалов получены с помощью сверхрешеток!

Нанокомпозиты

Увеличение ZT известных материалов на 5-15%

Наноструктурирование – концепция ФСЭК

Новое направление поиска термоэлектрических материалов

возникло в 1995 г., когда Слэк выдвинул теорию под названием

“фононное стекло – электронный кристалл (ФСЭК)”

Вещества, который могут

проводить электричество

хорошо как кристаллический

проводник, а тепло – плохо, как

стекло, ввиду пространственного

разделения подструктур.

Кремниевые нанопровода как эффективные термоэлектрические материалы

Особенности работы:

1. Диаметр проводов 20 – 300 нм

2. Теплопроводность понижена по сравнению с обычным кремнием -

из-за рассеяния фононов на шероховатой поверхности проводов

«Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires», Berkeley Lab, California

а) кремниевые нанопровода; б) шероховатая поверхность нанопровода

Кремниевые нанопровода как эффективные термоэлектрические материалы

Результаты:

• Оказалось, что при равном диаметре теплопроводность шероховатых проводов в несколько раз ниже.

• Минимальная теплопроводность достигается для проводов диаметром 50 нм.

• ZT ≈ 0,6 при 300 К, что в 60 раз превосходит обычный кремний.

«Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires», Berkeley Lab, California

Теплопроводность нанопроводов с гладкой (черное) и шероховатой (красное) поверхностями

Заключение и перспективы

• Интерес к термоэлектрическим материалам нового поколения связан с а) генерацией электрического тока из паразитного тепла; б) прямым преобразованием теплового излучения Солнца в электроэнергию; в) криогенным бескомпрессорным охлаждением.

• Перспективы применения термоэлектрических материалов нового типа зависит от успеха новых путей оптимизации свойств, в первую очередь, на основе наноструктурирования.

• Основной инструмент оптимизации на сегодня – это «фононная инженерия», позволяющая создавать узкозонные полупроводники с очень низкой теплопроводностью за счёт разделения структурных фрагментов на наноуровне.