Термоэлектрические свойства гетерофазных структур

• Автор: Пшенай-Северин, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 114 с.

Оглавление:

Введение
Глава I: Обзор литературы
Глава II: Искусственно анизотропный термоэлемент, состоящий из
полупроводниковых и сверхпроводящих слоев
Глава III: Термоэлектрическая добротность слоистых структур с р-п
переходом
Глава IV: Влияние изменения подвижности на термоэлектрическую
эффективность структур с квантовыми ямами
Глава V: Эффект охлаждения при термоавтоэлектронной эмиссии
Заключение
Список цитированной литературы
Введение.

Актуальность темы диссертации. Термоэлектрические преобразователи энергии находят применение в научных и практических целях в качестве генераторов тока, охлаждающих устройств и датчиков тепловых потоков. Они обладают рядом преимуществ по сравнению с устройствами других типов: простотой конструкции, отсутствием движущихся частей, надежностью, способностью работать длительное время без дополнительного обслуживания, отсутствием вредных для окружающей среды хладагентов, применяемых в компрессорах. Серьезное научное изучение свойств термоэлектрических материалов было начато в 30-х годах XX в. под руководством А. Ф. Иоффе, которым был введен параметр термоэлектрической добротности % (или критерий Иоффе ZT), характеризующий качество материалов термоэлектрических генераторов и охлаждающих элементов [1]. Проведенные исследования указали основные, ставшие теперь традиционными, направления поиска более эффективных термоэлектрических материалов. В последние десятилетия интерес к термоэлектричеству возобновился. Одной из причин для этого стала необходимость создания экологически безопасных устройств. С другой стороны, развитие физики и технологии привело к появлению новых материалов - структур с размерным квантованием, изучение термоэлектрических свойств которых представляет несомненный интерес. Поэтому исследование новых типов материалов, использование которых позволило бы повысить эффективность термоэлектрического преобразования энергии, его КПД и способствовать более широкому практическому использованию термоэлектрических устройств, является актуальной задачей.
Использование для этой цели слоистых гетерофазных структур расширяет возможности управления параметрами получаемых термоэлектрических материалов.
Во-первых, появляется возможность подбирать материалы слоев, варьировать соотношения их толщин, а также угол наклона слоев по отноше-

пию к градиенту температуры и направлению протекания тока. Это позволяет создавать материалы с искусственной анизотропией термоэлектрических свойств, термоэлектрическая эффективность которых может быть значительно выше, чем в кристаллах, обладающих естественной анизотропией. Исследования подобного рода структур проводились и ранее [2-10] и позволили сделать вывод, что наилучшими исходными компонентами искусственно анизотропного слоистого материала являются высококачественные полупроводники п- и р-типа с существенно различающимися электро- и теплопроводностями. При отсутствии эффективного материала для слоев одного из типов проводимости раннее предлагалось использовать вместо него металлические прослойки [4]. При низких температурах 50-120 К, появляется возможность использовать в искусственно анизотропном поперечном термоэлементе слои эффективного полупроводника и высокотемпературного сверхпроводника. Термоэлектрические свойства такой структуры ранее исследованы не были и требуют дополнительного теоретического изучения, поскольку полученные ранее формулы для материалов с нормальной проводимостью [4] в этом случае оказываются неприменимыми.
Во-вторых, в области контакта двух полупроводниковых материалов с различными знаками легирования возникает р-п переход, барьерная термо-эдс которого, как было показано в ряде исследований [22-25], может быть достаточно велика. Одиако, в литературе встречаются утверждения [26], что термоэлектрическая эффективность структур на неосновных носителях, всегда много меньше, чем па основных. Поэтому представляется важным исследовать не только термоэдс, но и добротность структур с р-п переходом.
В-третьих, при уменьшении толщин слоев начинают проявляться квантово-размерные эффекты, приводящие, в частности, к увеличению плотности состояний на дне двумерных подзон размерного квантования. В работах Хикса и Дрессельхауз [29] предлагалось использовать этот эффект для повышения термоэлектрической эффективности слоистых структур с квантовыми ямами. Однако, увеличение плотности состояний влечет за собой также и изменение подвижности носителей заряда [39]. Влияние этого фактора на термо-

был мал. Несмотря на это, при более низких работах выхода представляется возможным получить заметное охлаждение при комнатной температуре. При этом потери на излучение будут несущественны, а отсутствие решеточной теплопроводности в устройствах с вакуумным зазором позволяет надеяться на получение достаточно высоких КПД. Успехи нанотехнологий в последние годы дали возможность получать вакуумные устройства с электродами, находящимися на расстоянии порядка сотен ангстрем, которые уже были использованы для получения высоких плотностей тока через узкие вакуумные зазоры [78]. Это дает возможность использования плоскостной геометрии для создания высоких напряженностей электрического поля 107 В/см) при напряжениях порядка нескольких вольт.
В соответствии с вышесказанным, в пятой главе диссертации будет проведен расчет охлаждающего эффекта (коэффициента Пельтье) при термоав-тоэлектронной эмиссии, а также сделаны теоретические оценки требуемых диапазонов полей и работ выхода для охлаждения ниже комнатной температуры (Т = 250 К). В заключительном параграфе главы точность полученных формул будет оценена с использованием численных расчетов.