Сучасні термоелектричні наноматеріали: класифікація і технологія - Дипломная работа

Державний вищий навчальний заклад «Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника» Фізико-технічний факультет Кафедра фізики і хімії твердого тіла ДИПЛОМНА РОБОТА на тему Сучасні термоелектричні наноматеріали: класифікація і технологія Виконав студент IV курсу Напряму підготовки 6.040204 Прикладна Фізика Василечко О.М. Керівник: Никируй Л. І. Рецензент: Запухляк Р. І. Івано-Франківськ -2014р. ВСТУП Навколишнє середовище наповнене значною кількістю як, так званої, дармової так і експлуатаційної енергії, яку людство не використовує, хоча це надзвичайно важливо в час її дефіциту. Тому проблема перетворення теплової енергії в електричну залишається надзвичайно актуальною. До середини ХХ століття термоелектрика дуже повільно розвивалася, однак, використання напівпровідникових матеріалів спричинило широке практичне застосування таких генераторів. Якщо вдасться суттєво покращити термоелектричну ефективність, тоді пристрої, які базуються на термоелектричному ефекті, зможуть стати важливою частиною вирішення енергетичної проблеми сьогодення. Згідно з (2.1), значення ZT може бути підвищене, коли зменшувати теплопровідність, а наноструктури мають численні межі які представлені вздовж зерен термоелектричних матеріалів так, що фонони ефективно розсіюються, за рахунок чого скорочується теплопровідність. Такі матеріали також можуть бути використані в сегментних термоелектричних пристроях, які працюють при високих температурах. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ТЕРМОЕЛЕКТРИКИ ТА СУЧАСНІ ВИКЛИКИ 1.1 Термоелектричні ефекти 1.1.1 Ефект Зеєбека У 1821 р. німецький фізик Томас Йоган Зеєбек вперше виявив виникнення напруги між двома кінцями металевого стержня при наявності градієнта температури вздовж нього. Різниця температур викликає рухносіїв заряду (електронів чи дірок) в матеріалі від гарячої сторони до холодної (рис. 1.1). Рис. 1.1 Ефект Зеєбека у замкнутому контурі. A, B - два провідники, T1 та T2 - температури у місцях їх з’єднання Рис. 1.2 Ефект Зеєбека у розімкнутому колі. а і b - два розімкнуті кінці кола Рухомі носії заряду переміщуються на холодну сторону та створюють там надлишок відповідного заряду відносно нерухомих носіїв на гарячій стороні, що породжує виникнення термоелектричної різниці потенціалів ?V. EF - енергія Фермі, ?Et n,p зміщення енергії Фермі на контакті «метал-напівпровідник», відносно енергії Фермі у металі. 1.1.3 Ефект Томсона Ефект названо на честь Вільяма Томсона, пізніше відомого, як лорд Кельвін. Відповідно, комерційне впровадження таких термоелектриків як: Bi2Te3, PbTe і SiGe зупинилося протягом тривалого часу. Однак в середині 90-х з’явилися перспективи використання складних напівпровідників за допомогою різних ефектів: квантові ями, надграткові структури, Si нанодроти [1,2], квантові точки [3] та інші наноструктури [4,5]. ЗП і ВЗ в цілому мають непараболічності в групі в результаті невеликої анізотропії, в залежності від температури ефективної маси (тобто, і при 300 К [41]).