થર્મોઇલેક્ટ્રિક સામગ્રી અને તેમની તૈયારી માટેની પદ્ધતિઓ

થર્મોઇલેક્ટ્રિક સામગ્રીમાં રાસાયણિક સંયોજનો અને મેટલ એલોયનો સમાવેશ થાય છે, જે વધુ કે ઓછા ઉચ્ચારણ છે. થર્મોઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મો.

પ્રાપ્ત થર્મો-ઇએમએફના મૂલ્યના આધારે, ગલનબિંદુ પર, યાંત્રિક લાક્ષણિકતાઓ પર, તેમજ વિદ્યુત વાહકતા પર, આ સામગ્રીનો ઉપયોગ ઉદ્યોગમાં ત્રણ હેતુઓ માટે થાય છે: ગરમીના વીજળીમાં રૂપાંતર માટે, થર્મોઇલેક્ટ્રિક ઠંડક માટે. (વિદ્યુત પ્રવાહ પસાર કરતી વખતે હીટ ટ્રાન્સફર) અને તાપમાન માપવા માટે પણ (પાયરોમેટ્રીમાં). તેમાંના મોટા ભાગના છે: સલ્ફાઇડ્સ, કાર્બાઇડ્સ, ઓક્સાઇડ્સ, ફોસ્ફાઇડ્સ, સેલેનાઇડ્સ અને ટેલ્યુરાઇડ્સ.

તેથી થર્મોઇલેક્ટ્રિક રેફ્રિજરેટરમાં તેઓ ઉપયોગ કરે છે બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ... સિલિકોન કાર્બાઇડ તાપમાન માપવા માટે વધુ યોગ્ય છે અને c થર્મોઇલેક્ટ્રિક જનરેટર (TEG) સંખ્યાબંધ સામગ્રી ઉપયોગી હોવાનું જાણવા મળ્યું છે: બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ, જર્મેનિયમ ટેલ્યુરાઇડ, એન્ટિમોની ટેલ્યુરાઇડ, લીડ ટેલ્યુરાઇડ, ગેડોલિનિયમ સેલેનાઇડ, એન્ટિમોની સેલેનાઇડ, બિસ્મથ સેલેનાઇડ, સમેરિયમ મોનોસલ્ફાઇડ, મેગ્નેશિયમ સિલિસાઇડ અને મેગ્નેશિયમ સ્ટેનાઇટ.

આ સામગ્રીના ઉપયોગી ગુણધર્મો પર આધારિત છે બે અસરો પર - સીબેક અને પેલ્ટિયર… સીબેક અસર શ્રેણી-જોડાયેલા વિવિધ વાયરોના છેડા પર થર્મો-ઇએમએફના દેખાવમાં સમાવે છે, જેની વચ્ચેના સંપર્કો વિવિધ તાપમાને હોય છે.

પેલ્ટિયર ઇફેક્ટ એ સીબેક ઇફેક્ટની વિરુદ્ધ છે અને જ્યારે વિદ્યુત પ્રવાહ એક વાહકથી બીજા વાહકમાં વિવિધ વાહકના સંપર્ક બિંદુઓ (જંકશન)માંથી પસાર થાય છે ત્યારે ગરમી ઊર્જાના સ્થાનાંતરણનો સમાવેશ થાય છે.

અમુક અંશે આ અસરો ત્યારથી એક છે બે થર્મોઇલેક્ટ્રિક ઘટનાઓનું કારણ વાહક પ્રવાહમાં થર્મલ સંતુલનના વિક્ષેપ સાથે સંબંધિત છે.

આગળ, ચાલો સૌથી વધુ લોકપ્રિય અને માંગવામાં આવતી થર્મોઇલેક્ટ્રિક સામગ્રીઓમાંથી એક જોઈએ - બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ.

તે સામાન્ય રીતે સ્વીકારવામાં આવે છે કે 300 K ની નીચેની ઓપરેટિંગ તાપમાન શ્રેણી ધરાવતી સામગ્રીને ઓછા-તાપમાન થર્મોઇલેક્ટ્રિક સામગ્રી તરીકે વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે. આવી સામગ્રીનું એક આકર્ષક ઉદાહરણ ફક્ત બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ Bi2Te3 છે. તેના આધારે, વિવિધ લાક્ષણિકતાઓવાળા ઘણા થર્મોઇલેક્ટ્રિક સંયોજનો મેળવવામાં આવે છે.

બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડમાં રોમ્બોહેડ્રલ ક્રિસ્ટલોગ્રાફિક માળખું હોય છે જેમાં સ્તરોનો સમૂહ હોય છે - પંચકો - ત્રીજા ક્રમની સમપ્રમાણતા ધરીના જમણા ખૂણા પર.

Bi-Te રાસાયણિક બોન્ડ સહસંયોજક હોવાનું માનવામાં આવે છે અને Te-Te બોન્ડ વાન્ડરવાલ છે. ચોક્કસ પ્રકારની વાહકતા (ઇલેક્ટ્રોન અથવા હોલ) મેળવવા માટે, બિસ્મથ, ટેલ્યુરિયમનો વધુ પડતો પ્રારંભિક સામગ્રીમાં દાખલ કરવામાં આવે છે અથવા પદાર્થને આર્સેનિક, ટીન, એન્ટિમોની અથવા સીસું (સ્વીકારો) અથવા દાતાઓ જેવી અશુદ્ધિઓ સાથે મિશ્રિત કરવામાં આવે છે: CuBr , Bi2Te3CuI, B, AgI .

અશુદ્ધિઓ અત્યંત એનિસોટ્રોપિક પ્રસરણ આપે છે, ક્લીવેજ પ્લેનની દિશામાં તેની ગતિ પ્રવાહીમાં પ્રસરણની ઝડપ સુધી પહોંચે છે.તાપમાનના ઢાળ અને ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રના પ્રભાવ હેઠળ, બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડમાં અશુદ્ધતા આયનોની હિલચાલ જોવા મળે છે.

સિંગલ સ્ફટિકો મેળવવા માટે, તેઓ દિશાત્મક સ્ફટિકીકરણ (બ્રિજમેન) પદ્ધતિ, ઝોક્રાલસ્કી પદ્ધતિ અથવા ઝોન મેલ્ટિંગ દ્વારા ઉગાડવામાં આવે છે. બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ પર આધારિત એલોય સ્ફટિક વૃદ્ધિની ઉચ્ચારણ એનિસોટ્રોપી દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે: ક્લીવેજ પ્લેન સાથે વૃદ્ધિ દર નોંધપાત્ર રીતે આ પ્લેનની લંબ દિશામાં વૃદ્ધિ દર કરતાં વધી જાય છે.

થર્મોકોપલ્સ દબાવીને, બહાર કાઢવા અથવા સતત કાસ્ટિંગ દ્વારા બનાવવામાં આવે છે, જ્યારે થર્મોઇલેક્ટ્રિક ફિલ્મો પરંપરાગત રીતે વેક્યૂમ ડિપોઝિશન દ્વારા બનાવવામાં આવે છે. બિસ્મથ ટેલ્યુરાઇડ માટેનો તબક્કો આકૃતિ નીચે દર્શાવેલ છે:

તાપમાન જેટલું ઊંચું હોય છે, એલોયનું થર્મોઇલેક્ટ્રિક મૂલ્ય ઓછું હોય છે, કારણ કે આંતરિક વાહકતા અસર કરવાનું શરૂ કરે છે. તેથી, ઊંચા તાપમાને, 500-600 K થી ઉપર, આ ગૌરવનો ઉપયોગ ફક્ત પ્રતિબંધિત ઝોનની નાની પહોળાઈને કારણે થઈ શકતો નથી.

ખૂબ ઊંચા તાપમાને ન હોવા છતાં પણ Z નું થર્મોઇલેક્ટ્રિક મૂલ્ય મહત્તમ બને તે માટે, એલોયિંગ શક્ય એટલું સારી રીતે કરવામાં આવે છે જેથી અશુદ્ધતાની સાંદ્રતા ઓછી હોય, જે ઓછી વિદ્યુત વાહકતાને સુનિશ્ચિત કરશે.

સિંગલ ક્રિસ્ટલ ઉગાડવાની પ્રક્રિયામાં એકાગ્રતા (થર્મોઇલેક્ટ્રિક મૂલ્યમાં ઘટાડો) ના સુપરકૂલિંગને રોકવા માટે, નોંધપાત્ર તાપમાન ગ્રેડિએન્ટ્સ (250 K/cm સુધી) અને ક્રિસ્ટલ વૃદ્ધિની ઓછી ઝડપ — લગભગ 0.07 mm/min — નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

સ્ફટિકીકરણ પર એન્ટિમોની સાથે બિસ્મથ અને બિસ્મથના એલોય એક રોમ્બોહેડ્રલ જાળી આપે છે જે ડાયહેડ્રલ સ્કેલનેહેડ્રોનથી સંબંધિત છે.બિસ્મથનો એકમ કોષ એક રોમ્બોહેડ્રોન જેવો આકાર ધરાવે છે જેની કિનારીઓ 4.74 એંગસ્ટ્રોમ લાંબી છે.

આવી જાળીમાંના અણુઓ ડબલ સ્તરોમાં ગોઠવાયેલા હોય છે, જેમાં પ્રત્યેક અણુને ડબલ સ્તરમાં ત્રણ પડોશીઓ હોય છે અને ત્રણ બાજુના પડમાં હોય છે. બોન્ડ્સ બાયલેયરની અંદર સહસંયોજક છે અને સ્તરો વચ્ચે વાન ડેર વાલ્સ બોન્ડ્સ છે, જેના પરિણામે પરિણામી સામગ્રીના ભૌતિક ગુણધર્મોની તીવ્ર એનિસોટ્રોપી થાય છે.

બિસ્મથ સિંગલ ક્રિસ્ટલ્સ ઝોનલ રિક્રિસ્ટલાઇઝેશન, બ્રિજમેન અને ઝોક્રાલસ્કી પદ્ધતિઓ દ્વારા સરળતાથી ઉગાડવામાં આવે છે. બિસ્મથ સાથે એન્ટિમોની ઘન ઉકેલોની સતત શ્રેણી આપે છે.

સોલિડસ અને લિક્વિડસ રેખાઓ વચ્ચેના નોંધપાત્ર તફાવતને કારણે તકનીકી લાક્ષણિકતાઓને ધ્યાનમાં રાખીને બિસ્મથ-એન્ટિમોની એલોય સિંગલ ક્રિસ્ટલ ઉગાડવામાં આવે છે. તેથી સ્ફટિકીકરણના આગળના ભાગમાં સુપરકૂલ્ડ સ્થિતિમાં સંક્રમણને કારણે મેલ્ટ મોઝેક માળખું આપી શકે છે.

હાયપોથર્મિયાને રોકવા માટે, તેઓ મોટા તાપમાનના ઢાળનો આશરો લે છે — લગભગ 20 K/cm અને નીચો વૃદ્ધિ દર — 0.3 mm/h કરતાં વધુ નહીં.

બિસ્મથમાં વર્તમાન વાહકોના સ્પેક્ટ્રમની વિશિષ્ટતા એ છે કે વહન અને વેલેન્સ બેન્ડ એકદમ નજીક છે. વધુમાં, સ્પેક્ટ્રમ પરિમાણોમાં ફેરફાર આનાથી પ્રભાવિત થાય છે: દબાણ, ચુંબકીય ક્ષેત્ર, અશુદ્ધિઓ, તાપમાનમાં ફેરફાર અને એલોયની રચના.

આ રીતે, સામગ્રીમાં વર્તમાન વાહકોના સ્પેક્ટ્રમના પરિમાણોને નિયંત્રિત કરી શકાય છે, જે શ્રેષ્ઠ ગુણધર્મો અને મહત્તમ થર્મોઇલેક્ટ્રિક મૂલ્ય સાથે સામગ્રી મેળવવાનું શક્ય બનાવે છે.

આ પણ જુઓ:પેલ્ટિયર તત્વ - તે કેવી રીતે કાર્ય કરે છે અને કેવી રીતે તપાસવું અને કનેક્ટ કરવું