Термоэлектрическая эффективность фольг полуметаллических и полупроводниковых сплавов Bi₁₋xSbx

Abstract

Экспериментально исследованы температурные зависимости теплопроводности χ(Т), электропроводности σ(Т) и термоэдс α(Т) в фольгах сплавов Bi₁₋xSbx в полуметаллическом и полупроводниковом состояниях в интервале температур 4,2–300 К. Фольги сплавов Bi₁₋xSbx получали методом высокоскоростной кристаллизации тонкого слоя расплава на внутренней полированной поверхности вращающегося медного цилиндра. Высокие скорости кристаллизации v = 5·105 м/с обеспечивали равномерное распределение компонентов в объеме. Толщина фольг составляла 10–30 мкм с текстурой 101̅2 параллельно плоскости фольги и осью С³, совпадающей с нормалью к поверхности фольги. Показано, что теплопроводность полуметаллических фольг Bi–3 ат.% Sb в области низких температур (T < 10 К) на два порядка меньше, а в полупроводниковых (Bi–16 ат.% Sb) на порядок меньше, чем в массивных образцах соответствующего состава. Эффект трактуется с точки зрения комбинированного дополнительного рассеяния фононов на поверхности и гра-ницах зерен фольги. Из зависимостей ρ(Т), α(Т), χ(Т) рассчитана термоэлектрическая эффективность фольг ZT = α²σ/χ в интервале температур 5–300 К. Установлено, что при 100 К термоэлектрическая эффективность ZT в полупроводниковых фольгах сплавов n-типа Bi₁₋xSbx в 2 раза выше, чем у массивных образцов аналогичного состава и кристаллографической ориентации, что может быть использовано в низкотемпературных термоэлектрических преобразователях энергии.Експериментально досліджено температурні залежності теплопровідності χ(Т), електропровідності σ(Т) та термоерс α(Т) в фольгах сплавів Bi₁₋xSbx в напівметалевому і напівпровідниковому станах в інтервалі температур 4,2–300 К. Фольги сплавів Bi₁₋xSbx отримано методом високошвидкісної кристалізації тонкого шару розплаву на внутрішній полірованій поверхні мідного циліндра, що обертається. Високі швидкості кристалізації v = 5⋅105 м/с забезпечували рівномірний розподіл компонентів в об’ємі. Товщина фольг становила 10–30 мкм з текстурою 10 12 паралельно площині фольги та віссю С³, що співпадає з нормаллю до поверхні фольги. Показано, що теплопровідність напівметалевих фольг Bi–3 ат.% Sb в області низьких температур (T < 10 К) на два порядки менша, а в напівпровідникових (Bi–16 ат.% Sb) на порядок менша, ніж у масивних зразках відповідного складу. Ефект трактується з точки зору комбінованого додаткового розсіювання фононів на поверхні та межах зерен фольги. Із залежностей ρ(Т), α(Т), χ(Т) розраховано термоелектричну ефективність фольг ZT = α²σ/χ в інтервалі температур 5–300 К. Встановлено, що при 100 К термоелектрична ефективність ZT в напівпровідникових фольгах сплавів n-типу Bi₁₋xSbx у 2 рази вище, ніж у масивних зразків аналогічного складу і кристалографічної орієнтації, що може бути використано в низькотемпературних термоелектричних перетворювачах енергіїTemperature dependences of thermal conductivity χ(Т), electrical conductivity σ(T), and thermopower α(T) in foils of Bi₁₋xSbx alloys in the semimetal and semiconductor states in a temperature range of 4.2–300 K are experimentally studied. Foils of Bi₁₋xSbx alloys are prepared by high-speed crystallization of a thin layer of the melt on the polished inner surface of a rotating copper cylinder. High crystallization rates at a level of v = 5⋅105 m/s provide a uniform distribution of the components in the volume. The foils have a thickness of 10–30 µm, the 10 12 texture parallel to the foil plane, and the С³ axis coinciding with the normal to the foil surface. It is shown that, in the lowtemperature range (T < 10 K), the thermal conductivity of the semimetal (Bi–3 at% Sb) and semiconductor (Bi–16 at% Sb) foils is, respectively, two orders of magnitude and an order of magnitude lower than the thermal conductivity of the bulk samples of the same composition. This effect is interpreted the point of view of the combined additional phonon scattering on both surface and grainboundary of the foil. The ρ(Т), α(Т), and χ(T) dependences are used to calculate the thermoelectric figure of merit of the foils ZT = α²σ/χ in a temperature range of 5–300 K. It is found that, at 100 K, thermoelectric figure of merit ZT in the semiconductor Bi₁₋xSbx alloys is 2 times higher than that of the bulk samples of the same composition and crystallographic orientation; this feature can be used in lowtemperature thermoelectric energy converters.