Современные тенденции развития физики термоэлектрических материалов - Реферат

РЕФЕРАТ на тему: «Современные тенденции развития физики термоэлектрических материалов»Получение и преобразование энергии - одно из важнейших направлений деятельности современной цивилизации, лежащее в самой основе ее существования. Поскольку наиболее удобная и универсальная форма энергии для практических применений - электрическая, то особое значение имеет разработка наиболее эффективных методов ее получения, и поиск таких методов никогда не останавливался. Весьма остро встал вопрос о повышении эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую изза ощущающейся в настоящее время нехватки ископаемых видов топлива и выброса тепловыми электростанциями огромного количества газов, вызывающих парниковый эффект и глобальное изменение климата. Последние имеют ряд преимуществ перед традиционными электрическими генераторами: простота конструкции, отсутствие движущихся частей, бесшумность работы, высокая надежность, возможность миниатюризации без потери эффективности. Термоэлектрическая добротность непосредственно связана с эффективностью (КПД) устройства, поэтому это очень удобный параметр для сравнения потенциальной эффективности преобразователей, использующих различные материалы.Один из самых простых с технологической точки зрения и поэтому практически всегда используемый метод улучшения термоэлектрических свойств полупроводникового материала - выбор оптимального уровня легирования, т. е. такого, который обеспечивает максимальное значение термоэлектрической добротности. Как уже упоминалось выше, существование оптимального уровня концентрации электронов связано с тем, что при увеличении электронной концентрации проводимость обычно растет, а термоэдс падает. Если в образце с электронной проводимостью существует перепад температуры, то электроны на горячем конце имеют более высокие энергии и скорости, чем на холодном, и более интенсивно диффундируют к холодному концу, чем двигающиеся им навстречу электроны с холодного конца, имеющие меньшие энергии и скорости. В результате возникает поток электронов с горячего конца на холодный, и на холодном конце образуется отрицательный заряд, а на горячем остается нескомпенсированный положительный.Многие полупроводниковые материалы, используемые в термоэлектрических преобразователях, представляют собой сплавы или твердые растворы, зонная структура которых меняется при изменении состава сплава. В таких материалах за счет изменения состава имеется возможность варьировать параметры их зонной структуры с целью оптимизации их термоэлектрических свойств. На основе решения уравнения Больцмана для электронов было показано, что и в этом случае оптимальная ширина запрещенной зоны, при которой термоэлектрическая добротность максимальна, должна существенно превышать КВТ, а уровень Ферми должен быть расположен вблизи края зоны проводимости. Приведенная в работе оценка (Eg> 10кв Т) связана с тем, что при меньшей ширине запрещенной зоны в системе появляются дырки, а это уменьшает термоэдс материала. Таким образом, результаты рассмотренных работ показывают, что в хорошем термоэлектрике щель в спектре должна быть значительно больше температуры (например, Eg > 10кв T), а уровень Ферми должен располагаться вблизи дна зоны основных носителей заряда.Одним из важнейших направлений, по которым в последние годы был достигнут прогресс в области создания новых термоэлектрических материалов, явилось применение неоднородных материалов.Расчеты фактора мощности и термоэлектрической добротности в системах с квантовыми ямами и проволоками показали, что на эти величины оказывают свое влияние изменения электронной плотности состояний, обусловленные понижением размерности. Вычисления предсказывали значительное увеличение Р и Z при уменьшении поперечных размеров ям и проволок, обусловленное возрастанием термоэдс за счет особенностей плотности состояний на дне нижней подзоны размерного квантования.Неоднородности нанометровых размеров могут эффективно рассеивать тепловые фононы, длины волн которых лежат также в нанометровом диапазоне, что приводит к уменьшению теплопроводности. Влияние наноструктуры материала на теплопроводность решетки изучалось во многих работах, поскольку уменьшение теплопроводности очень важно для повышения термоэлектрической добротности. Из общих соображений можно ожидать, что при толщинах слоев, существенно превосходящих длину свободного пробега фононов, величина теплопроводности должна приближаться к взвешенному среднему от теплопроводностей материалов слоев. При промежуточных толщинах слоев, сравнимых с длиной волны переносящих тепло фононов, возможно уменьшение теплопроводности за счет брэгговских отражений фононов от границ слоев.Как и у сверхрешеток, наличие гетерограниц меняет как электронные, так и фононные свойства систем с квантовыми проволоками. В квантовых проволоках фактор мощности может заметно увеличиваться по сравнению как с объемными материалами, так и с квазидвумерными слоями.

Содержание

Введение

1. Выбор оптимальной концентрации носителей

1.1 Выбор оптимальной ширины запрещенной зоны

2. Наноструктурированные материалы

3. Сверхрешетки и системы с квантовыми ямами

3.1 Электронные свойства

3.2 Фононные свойства

4. Квантовые проволоки