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. Не дивлячись на те, що така постановка задачі є загальною і давно відомою, на сьогоднішній час вона є не до кінця розвязаною. Справа у тому, що дуже гостро строїть питання підвищення ефективності такого перетворення.
До середини ХХ століття термоелектрика дуже повільно розвивалася, однак, використання напівпровідникових матеріалів спричинило широке практичне застосування таких генераторів. Недоліком цих пристроїв ще й на сьогодні є їх низька ефективність - від 3 до 8 %, що обмежує більш широке практичне застосування. Якщо вдасться суттєво покращити термоелектричну ефективність, тоді пристрої, які базуються на термоелектричному ефекті, зможуть стати важливою частиною вирішення енергетичної проблеми сьогодення.
Зараз такі перетворювачі використовуються як джерела електрики на космічних апаратах, застосовуються в портативних холодильних агрегатах у побуті, в електронному, медичному й науковому устаткуванні, зокрема для охолодження інфрачервоних приймачів і оптоелектронних обладнань, для отримання корисної енергії за рахунок відпрацьованих газів в автомобілях. Однак для нових та економічно вигідних промислових застосувань термоелектричних перетворювачів енергії необхідно істотне підвищення їх ефективності.
Підвищення добротності можливе через наноструктурування. 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.
Підвищені значення ZT наноматеріалів робить їх перспективними для використання в пристроях охолодження і рекуперації тепла. Такі матеріали також можуть бути використані в сегментних термоелектричних пристроях, які працюють при високих температурах. Додатково до високих значень ZT, нанокомпозити мають кращі механічні властивості, ніж монокристали. У них відсутня проблема розколювання, яка поширена в сплавах виготовлених традиційним методом зонної плавки, що призводить до більш технологічного виготовлення пристроїв і їх системної інтеграції.
РОЗДІЛ 1. ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ТЕРМОЕЛЕКТРИКИ ТА СУЧАСНІ ВИКЛИКИ
1.1 Термоелектричні ефекти
.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.
Пізніше було показано, що стрілка компаса відхиляється, якщо вона розміщена близько від замкнутого кола, яке складається із двох різнорідних металів з різницею температур між контактами.
Це свідчить про те, що струм, який протіає по замкнутому колу, зумовлений різницею температур. 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 зєднання
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. Накопичення заряду на холодній стороні припиняється, коли така ж кількість носіїв заряду почне дрейфувати до гарячої сторони внаслідок дії електричного поля, створеного цим розподілом зарядів. При цьому матеріал переходить до стабільного стану. Лише збільшення різниці температур може відновити ріст кількості носіїв заряду на холодній стороні і, таким чином, призвести до зростання термоелектричної напруги. Така різниця потенціалів називається термо-ЕРС та створюється різницею температур між двома різнорідними матеріалами (металами чи напівпровідниками). При цьому виникає постійний струм, який протікає через провідники, якщо їх спаї знаходяться при різних температурах Т1 і Т2 (рис. 1.1).
Предметы
Актуальные дипломы по физике