Қорғасын теллуриді: Термоэлектрлік қасиеттері мен қолданылуы
Lead telluride
Қорғасын теллуриді (PbTe) – жартылай өткізгіш, аса тиімді термоэлектрлік материал. Altaite минералы ретінде табиғатта кездеседі, қасиеттері мен құрылымы туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Кіріспе
Қорғасын теллуриді – қорғасын мен теллурдың (PbTe) қосылысы. Ол NaCl кристалл құрылымында кристалданады, онда Pb атомдары катиондық орындарды, ал Te аниондық торды құрайды. Бұл тар саңылаулы жартылай өткізгіш, оның тығыздық саңылауы 0,32 ЭВ-қа тең. Табиғатта ол алтаит минералы түрінде кездеседі.
Lead telluride is a compound of lead and tellurium (PbTe). It crystallizes in the NaCl crystal structure with Pb atoms occupying the cation and Te forming the anionic lattice. It is a narrow gap semiconductor with a band gap of 0.32 eV. It occurs naturally as the mineral altaite.
Қолданбалар
PbTe өте маңызды термоэлектрлік аралық материал болып табылады. Термоэлектрлік материалдардың өнімділігін zT көрсеткіші арқылы бағалауға болады, мұнда S – Зеебек коэффициенті, σ – электрлік өткізгіштік және κ – жылу өткізгіштік. Материалдардың термоэлектрлік өнімділігін жақсарту үшін қуат факторын (PF = S²σ) барынша жоғарылату және жылу өткізгіштігін барынша азайту қажет. PbTe жүйесін қуат өндіруге арналған қолданулар үшін жарық аралығын өзгерту арқылы қуат факторын жақсартып оптималдауға болады. Оны тиісті допанттармен n немесе p типті етіп допингтеуге болады. Галогендер көбінесе n типті допингтік заттар ретінде қолданылады. PbCl2, PbBr2 және PbI2 донорлық орталықтарды жасау үшін жиі қолданылады. Pb-ді Bi2Te3, TaTe2, MnTe2 сияқты басқа n типті допингтік агенттер алмастырады және зарядталмаған бос Pb орындарын жасайды. Бұл бос орындар кейін қорғасынның артық атомдарымен толтырылады, ал осы бос атомдардың валентті электрондары кристал арқылы диффузиялайды. P типті допингтік агенттер – Na2Te, K2Te және Ag2Te. Олар Te орнын ауыстырады және зарядталмаған бос Te орындарын жасайды. Бұл орындар қосымша оң тесіктерді құру үшін иондалған Te атомдарымен толтырылады. Жарық аралығын өзгерту арқылы PbTe-нің ең жоғары zT шамамен 0.8–1.0, ~650K температурада екені анықталды. Солтүстік-Батыс университетіндегі ынтымақтастық "барлық масштабтағы иерархиялық архитектураны" қолдану арқылы PbTe-нің жылу өткізгіштігін айтарлықтай төмендетіп, zT көрсеткішін арттырды. Бұл тәсілмен нүктелік ақаулар, наноөлшемді тұнбалар және мезоөлшемді дәндер шекаралары заряд тасымалдауға әсер етпей, әр түрлі орташа еркін жолдардағы фонондар үшін тиімді шашырау орталықтары ретінде енгізіледі. Бұл әдісті қолдану арқылы Na допингтелген PbTe SrTe жүйесінде PbTe үшін рекордтық zT мәні шамамен 2.2-ге тең. Сонымен қатар, PbTe көбінесе инфрақызыл детектор материалы ретінде қолданылатын қорғасын-қалайы телуридін алу үшін қалайымен қорытылады.
PbTe has proven to be a very important intermediate thermoelectric material. The performance of thermoelectric materials can be evaluated by the figure of merit, , in which is the Seebeck coefficient, is the electrical conductivity and is the thermal conductivity. In order to improve the thermoelectric performance of materials, the power factor needs to be maximized and the thermal conductivity needs to be minimized. The PbTe system can be optimized for power generation applications by improving the power factor via band engineering. It can be doped either n type or p type with appropriate dopants. Halogens are often used as n type doping agents. PbCl2, PbBr2 and PbI2 are commonly used to produce donor centers. Other n type doping agents such as Bi2Te3, TaTe2, MnTe2, will substitute for Pb and create uncharged vacant Pb sites. These vacant sites are subsequently filled by atoms from the lead excess and the valence electrons of these vacant atoms will diffuse through crystal. Common p type doping agents are Na2Te, K2Te and Ag2Te. They substitute for Te and create vacant uncharged Te sites. These sites are filled by Te atoms which are ionized to create additional positive holes. With band gap engineering, the maximum zT of PbTe has been reported to be 0.8 1.0 at ~650K. Collaborations at Northwestern University boosted the zT of PbTe by significantly reducing its thermal conductivity using ‘all scale hierarchical architecturing'. With this approach, point defects, nanoscale precipitates and mesoscale grain boundaries are introduced as effective scattering centers for phonons with different mean free paths, without affecting charge carrier transport. By applying this method, the record value for zT of PbTe that has been achieved in Na doped PbTe SrTe system is approximately 2.2. In addition, PbTe is also often alloyed with tin to make lead tin telluride, which is used as an infrared detector material.