بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله اثر افزودن مقادیر مختلف CdCl 2 بر خواص ترموالکتریکی نیمرساناي نوع n با پایه بیسموت تلوراید بررسی شده است.نمونه هاي مورد بررسی به روش رشد کریستال در حالت ذوب ناحیه اي تهیه شده اند. رشد دانه ها در جهت ارجح انتقال گرما به وضوح قابل مشاهده است.نتایج اندزه گیري ها حاکی از آن است که افزوده کادمیم کلراید به طور کلی موجب بهبود خواص ترموالکتریکی نیمرساناي نوع n میشود. با افزایش درصد وزنی CdCl 2 اضافه شده به ترکیب ،ضریب سیبک کاهش و رسانش الکتریکی افزایش پیدا می کند.یافته هاي این تحقیق نشان داد افزایش مقادیر بیشتر از 0,1 درصد وزنی، کادمیوم کلراید ،موجب کاهش درمقدار رسانش الکتریکی و در نتیجه کاهش ضریب بهره شده است.
مقدمه
بی شک تمامی تلاش ها در ساخت نیمرساناي ترموالکتریک نوع n وp براي رسیدن به بالا ترین ضریب بهره در سیستم هاي تبریدي مونتاژ شده از این ترکیبات است.ضریب بهره - Z - معیاري است که کیفیت عملکرد نیمرساناي مذکور را در کاربردهاي تبریدي نشان می دهد.این معیار به سه فاکتور ضریب سیبک،رسانش الکتریکی و رسانش گرمایی بستگی داشته ومقدار آن از رابطه Z =α2 σ /κ بدست می آید.این سه کمیت نیز به تراکم حامل هاي بار،جرم موثر و مکانیزم توزیع بار بستگی دارند 1]و.[4آلایش نیمرسانا ،عموما روشی است که موجب تنظیم و بهینه کردن خواص ترموالکتریکی و فیزیکی، براي رسیدن به بیشینه ضریب بهره انجام می گیرد.[2]
آلاینده هایی که وارد ترکیب می شود نقص هاي شبکه اي بوجود می آورد که به مقدار زیادي بر رسانش الکتریکی و رسانش گرمایی تاثیر می گذارد.کلر،برم و ید عناصري هستند که در ترکیبات Bi2Te3-Bi2Se3خاصیت بخشنده دارند. براي مثال اتم کلر که در این سري آزمایشات به شکل ترکیب CdCl2 وارد محلول جامد مذکور شده است،در نوار رسانش خود یک الکترون بیشتر از اتم هاي Te داشته بنابراین می تواند این الکترون اضافی را در اختیار شبکه قرار داده و موجب بالا رفتن رسانش الکتریکی شود.بنابراین تحت شرایطی موجب بالا رفتن بهره ترموالکتریکی و ضریب بهره می شود. به طور معمول بیشترین مقدار Z براي باضریب سیبک185 - µV/K - <α<275 - µV/K - و رسانش الکتریکی500 - Ωcm - −1 σ 1400 - Ωcm - −1 ، مقدار Z=2.8x10-3 /K است. [ 1 ]
روش آزمایش:
باتوجه به استوکیومتري ترکیب - Bi2Te3 - .96 - Bi2Se3 - .04 مقدار 52,58گرم بیسموت، 1,19 گرم سلنیوم ، 46,23 گرم تلوریم و 0,02 گرم کلرید کادمیم توزین شده داخل آمپول کوارتز به قطرخارجی 10 mm و طول تقریبی 200 mm ریخته شد. پس از خلاء سازي در 10−5Torr،سر آمپول بسته شد و به مدت 40 دقیقه در دماي ثابت700 °C سنتز گرمایی شد. آلیاژ مذکور پس از خنک سازي سریع،خرد شده و داخل لوله کوارتز ریخته شده و پس از خلاء سازي،در دستگاه ذوب ناحیه اي که کوره آن به ارتفاع 0,75 سانتی متر و قطر12 mm است قرار داده شد ، سرعت جابجایی عمودي ناحیه مذاب روي 3 cm/hr و در دماي ثابت 700 درجه سانتیگراد تنظیم شد.
عمل ذوب ناحیه اي در سرتاسر محدوده حضور مواد در داخل آمپول از پایین به بالا براي 2 مرتبه انجام شد . ضریب سیبک قطعات مذکور با ایجاد گرادیان دمایی در طول نمونه و ثبت دما در نقاط مشخص و ثبت پاسخ ولتاژ سیبک در همان نقاط ،اندازه گیري و بر اساس فرمول − 24−V1 V2α محاسبه شد. این اندازه گیري ها در دماي اتاق انجام گرفت. - نمودار - 1همچنین رسانش الکتریکی بلور به روش چهار پروب اندازه گیري و ثبت گردید. از پودر ترکیب براي تعیین تبلور، آزمون XRD به عمل آمد. آزمایش مذکور براي مقادیر 0,03 تا 0,11 درصد وزنی کلرید کادمیم با افزودن هر بار 0,01 درصد وزنی به ترکیب ،تکرار شد.
بحث :
براي بررسی خواص ساختاري بلور رشد داده شده از آنالیز XRD استفاده شده است . شکل - 1 - الگويXRD مربوط به پودر بلور آسیاب شده را نشان میدهد.استوکیو متري ترکیب ، Bi2Te3 بوده و داراي ساختار هگزاگونال است. با توجه به اینکه Bi2Te3 در بین ترکیات بیسموت تلوراید داراي بیشترین بازده ترموالکتریکی است [5]،فرآیند رشد بلور موفقیت آمیز تشخیص داده شده است.با دقت در مقادیر پارامترهاي ترموالکتریکی بدست آمده از آزمایشات تغییر درصد وزنی کلرید کادمیم و محاسبه این ضریب، مشاهده شد که بیشینه ضریب توان در مقدار 0,08 درصد وزنی حاصل می شود.
کاهش ناگهانی مقدار ضریب توان و رسانش الکتریکی در مقادیر بیش از 0,1 درصد کادمیم را می توان اینگونه توضیح داد که اتم هاي کلر نیز مانند بخشنده هاي دیگري چون نقره، حد حلالیت مشخصی داشته و احتمالا امکان بین نشینی این اتمها در مقادیر بالاتر از0,1 اشباع شده است . این اتمها به جاي Bi در شبکه می نشینند وهمانند پذیرنده هاي نوع p عمل کرده به این ترتیب اثر بخشنده اتمهاي بین نشین کلر، خنثی شده بنابراین رسانش الکتریکی کاهش شدید می یابد و ضریب توان افت پیدا می کند. [ 2 ]شکل 2و3 تغییرات رسانش الکتریکی و ضریب سیبک را نسبت به درصد وزنی کلرید کادمیم نشان می دهد .مشاهده می شود با افزایش کلرید کادمیم رسانش الکتریکی افزایش و ضریب سیبک کاهش می یابد . در مقادیر بیش از 0,1 درصد، رسانش الکتریکی کاهش
