Главная  Пленочные термоэлементы 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [ 61 ] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76]

Глава 4

ПЛЕНОЧНЫЕ ТЕРМОБАТАРЕИ

И их ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В МЕТЮЛОГИИ

4.1. Термоэлектрическая эффективность пленок полупроводников АВ и ABi

На основании опубликованных данных можно оценить значения удельной мощности ао is. термоэлектрической эффективности z, достигнутых к настоящему времени на пленках АВ и АВ"

На рис. 4.1 приведены значения ао и z для пленок п - РЬТе на слюде, рассчитанные по данным работ [142, 227]. Поскольку в [227] даны относительные величины aJaQ и oJoq, при вычислениях использованы значения параметров для объемных кристаллов (ао и Оо) [98]. Из рисунка видно, что на пленках при комнатной температуре достигаются более высокие значения z, чем в объемных кристаллах. Оптимальная концентрация электронов при этом увеличивается почти на порядок и составляет 1,5-• 10 см~. Высокие значения z (более 1,5.10"" К) сохраняются в диапазоне концентраций 6-10 - 2-10* см*". Эти изменения, согласно [227], обусловлены селективным рассеянием электронов на границах блоков. Анализ литературных данных по температурным зависимостям а и а и их экстраполяция в область Т > 300 К позволяют заключить, что эффект увеличения z должен иметь место и при более высоких температурах (вплоть до 500 К). Кроме того, следует ожидать существенно более пологой, чем для объемных кристаллов, зависимости z (Т).

В табл. 19 приведены значения z при 300 К для пленок BigTog и твердых растворов на его основе из [262, 263]. Сопоставление

Т аблица 19.

Термоэлектрическая эффективность z при 300 К на основе BiaTeg по [262, 263]

Состав

проводимости

Материал подложки

Z.103, К-»

Полиимид

В 12X62,79860,21

То же

В12Те2,55ео,45

»

Bio,5Sbi,5Te3

Полиимид

Bio,5Sbi,5Te3

Слюда




Рис. 4.1. Зависимость параметра ас (i, 2) и термоэлектрической эффективности z(3,4y от концентрации носителей заряда в мелкоблочных пленках {1,3) 11 объемных кристаллах {2, 4)

со свойствами объемных кристаллов [110] показывает, что в пленках р - Bio,5Sbi,5Te3 достигается повышение приблизительно на 30% при использовании полиимидной подложки и примерно на 20% - слюдяной подложки. В пленках п - BigTe и л - Bi2Te2,4Seo,6 z сохраняется на уровне параметров объемных кристаллов. При этом в пленках п - BigTcg все параметры (а, а, к) практически такие же, как в объемных кристаллах. В пленках твердых растворов значительно уменьшается решеточная составляющая теплопроводности Хр. Величина ао в р - BicsSbisTcg сохраняется, а в п - Bi2Te2,4Seo,6 уменьшается примерно так же, как и х. Повышение z в пленках р - Bio,5Sbi5Te3 обусловлено, в основном согласно [262], рассеянием длинноволновых фононов на границах блоков (зерен) и оказывается более существенным в пленках на полиимиде из-за меньшего размера зерен.

Приведенные выше аначения термоэлектрической эффективности пленок нельзя рассматривать как предельные. Вряд ли можно считать исчерпанными возможности их дальнейшего повышения. Если говорить об использовании рассеяния на границах блоков, то здесь реальными резервами можно считать:

а) возможность управления рассеивающими свойствами барьеров путем вариаций сорта легирующей примеси [235] и степени отклонения от стехиометрии [141];

б) оптимизацию соотношения длин свободного пробега носителей заряда и фононов, с одной стороны, и размеров блоков (зерен), с другой. Обнаруженная в пленках Bio.sSbjgTeg возможность подавления этим путем вклада длинноволновых фононов пока не реализована в пленках материалов АВ, где до сих пор не проводилось систематических исследований термоэлектрических параметров пленок твердых растворов;

в) создание барьеров, неодинаково рассеивающих основные и неосновные носители. Преимущественное подавление подвижности последних может привести к смещению в область более высоких температур начала смешанной проводимости (биполяр-



ной диффузии) и соответствующего увеличения среднего по рабочему температурному интервалу значения z.

В разд. 3.2 и 3.3 приведены данные о влийнии механических деформаций на электрофизические свойства пленок АВ и AVBVI за счет перестройки зонного спектра. В ряде случаев эта перестройка приводит к весьма значительному увеличению удельной мощности [260, 261, 265]. В настоящее время отсутствуют Конструкции термобатарей, в которых реализовались бы сильные механические напряжения. Однако, как показано в [183], используя подложки с различными коэффициентами линейного расширения и меняя режимы напыления и отжига, можно создать в системе пленка-подложка напряжения до 5 кбар.

4.2. Пленочные термоэлектрические батареи

Ранние конструкции пленочных термобатарей были однослойны- ми и отличались друг от друга различной конфигура1л;ией ветвей и их расположением на подложке [76, 266, 267]. Ряд вариантов таких батарей («звездочка», «гребенка», «мозаика») показаны на рис. 4.2.

Одна из первых попыток использовать эффективные термоэлектрические материалы /? - В1о,58Ьх5Тез ж п - Bi2Te2,4Seo,6 при разработке пленочных батарей была предпринята в [76]. Ветви были нанесены в виде гребенки на тонкий скол слюды (см. рис. 4.2). Однако, несмотря на высокие характеристики используемых материалов, термоэлектрическая эффективность такоц однослойной батареи значительно (в 5-10 раз) уступала объемной батареи. Причинами этого являются большие паразитные потоки тепла по подложке и теплообмен с окружающей средой. Относительный вклад теплообмена тем выше, чем меньше отношение FJI {Fs - площадь поперечного сечения, I - длина ветви). При FJI < 1 передача тепла конвекцией и излучением от горячего конца пленки к холодному соизмерима или даже превышает теплопередачу по пленке (см. далее табл. 20).

Уменьшение влияния излучения и конвекции, а также шунтирования теплового потока подложкой может быть достигнуто за счет увеличения толщины термоэлектрического слоя. Однако эта толщина не может быть сделана большой, так как с ее увеличением возрастает сила, возникающая из-за разности коэффициентов линейного расширения пленки и подложки и стремящаяся оторвать первую от второй:

F - £плей,

где F - сила, действующая на единицу ширины пленки, пл - модуль Юнга, г - относительная деформация в плоскости пленки, d - толщина пленки. Для В12Тез и его аналогов Еил 5-• 10 Н/см [184]. При напылении на слюду и температуре отжига Т 350"" С величина е согласно (3.7) составляет 2-10*". При критической толщине йкр 5 мкм F превышает силу адгезии



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [ 61 ] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76]

0.0008