авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 ||

Разработка технологии изготовления материалов состава bi2sexte1-x и исследование термоэлектрических микромодулей на их основе.

-- [ Страница 2 ] --

Применение технологий, обеспечивающих более равновесные условия синтеза (зонное выравнивание) и увеличивающих скорость диффузии (прессование, механоактивационный синтез), позволяет повысить концентрационную однородность сплава.

Наиболее высокой гомогенностью обладают сплавы, полученные механоактивационным методом и зонным выравниванием.

На основании результатов электронно-зондового анализа большого числа случайных точек поверхности сплавов получены законы распределения содержания основных компонентов, параметры, которых чувствительные к способу приготовлению сплава. Их отклонение от нормального закона обусловлено неравновесными условиями кристаллизации и низкой скоростью диффузии основных компонентов.

В табл. 1 приведены параметры законов распределения германия в сплавах в зависимости способов их приготовления.

Таблица 1.

Зависимость параметров распределения концентрации германия в сплавах Si-Ge в зависимости от способа приготовления

Способ приготовления и термообработка M, вес% D Ek As
1 Кристаллизация из расплава 54.4 180 13.4 -0,725 -0,174
2 Прессование 55,7 103 10,2 -0,430 0,180
3 Прессование с последующим отжигом при 9000С 54,5 100 10,0 -0,440 0,170
4 Зонная кристаллизация со скоростью:
V=12см/час 55,6 54,2 7,36 0,380 0,237
V=3 см/час 55,7 21,8 4,68 0,350 0,212
V=1 см/час 54,7 6,67 2,5 0,188 0,230
5 Механоактивационный синтез. Время активации:
10 мин 55,3 6,02 2,45 0,250 0,230
40 мин 55,6 2,44 1,56 0,140 0,022
6 Аппаратная функция для сплава GeTe 35,8 0,706 0,84 -0,06 0,020

Проведен расчет проводимости сплавов кремний-германий с учетом их неоднородности. Показано, что рост гомогенности сопровождается уменьшением электропроводности, что обусловлено влиянием объемной проводимости структурных составляющих.

В четвёртой главе приведены результаты измерения концентрационных неоднородностей, электропроводности, концентрации носителей тока, подвижности и термо-э.д.с. сплавов Bi2 Se0.3 Te2.7 и Bi2 Se0.6Te2.4, приготовленных различными способами. На основе полученных результатов оптимизирована технология приготовления материала и получены дополнительные сведения о механизме и влиянии неоднородностей на их электрофизические свойства.

Исследовано влияние технологии изготовления полупроводниковых сплавов Bi2 Se0.6Te2.4 и Bi2 Se0.3 Te2.7 на их термоэлектрические свойства и концентрационную неоднородность.

На рис.2 представлены типичные изображения участка поверхности сплава Bi2 Se0.6Te2.4, полученного кристаллизацией из расплава, в рентгеновских лучах SeK1, на которых видно слоистое распределение селена. Аналогичное распределение селена наблюдали и в образцах состава Bi2 Se0.3 Te2.7. Сравнение результатов количественного анализа в различных участках сплавов обоих типов указывает на существование линейной зависимости между содержанием селена и теллура, (см. рис 2 б).

а б

в

Рис. 2 Микроструктура и замещение селена теллуром в термоэлектрическом сплаве Bi2 Se0.6Te2.4:

а- изображение участка поверхности сплава в рентгеновских лучах SeK1, масштаб изображения; 100 х 100 мкм; б- изображение участка поверхности во вторичных электронах; в- корреляция концентрации селена и теллура в различных участках поверхности сплава; Масштаб изображения

750 х 650 мкм.

Показано, что наиболее высокую однородность материала обеспечивает высокоскоростная закалка из жидкого состояния с последующим прессованием полученного порошка и отжигом при 4000С. Удовлетворительная однородность получается также методами экструзии и прессованием порошка и с последующей термообработкой.

Установлено существование корреляции между концентрационной неоднородностью и электрофизическими свойствами. Уменьшение термо-э.д.с обусловлено ростом концентрационных неоднородностей, а снижение проводимости увеличением неоднородности сплавов и количества структурных дефектов. При этом мощностной параметр 2 для сплава Bi2 Se0..3Te2..7 достигает максимума для в случае их получения высокоскоростной закалкой из жидкого состояния с последующим прессованием, обладающих подобраны сплавы наибольшей однородностью. Для сплава Bi2 Se0.6Te2.4,полученного экструзией порошка, мощностной параметр 2 принимает максимальное значение при значительной концентрационной неоднородности рис. 3.

а б

Рис. 3 Зависимость электрофизических свойств (удельные термоэдс , проводимость , концентрация носителей тока n, подвижность , параметр мощности 2) сплавов от их концентрационной неоднородности

Сравнение расчетных значений электропроводности с результатами измерений позволяют сделать заключение, что для сплавов Bi2 Se0.6Te2.4 и Bi2 Se0..3Te2..7 главным фактором, воздействующим на проводимость материала, является комплекс структурных дефектов: междоузельные атомы, дислокации, дефекты упаковки, границы зерен и двойников. Изменение электродвижущей силы в обоих сплавах связывается с существованием слоистых концентрационных неоднородностей.

В пятой главе рассмотрены конструктивные особенности разработанных микромодульных, термоэлектрических блоков и приведены результаты их электронно-зондовых исследований.

Блок изготавливался из 16 металлокерамических пластин термоэлектрических сплавов р- и n- типов проводимости толщиной 0,3 мм, которые поочередно склеивались между собой клеем ВК-9, а в качестве изоляции использовалась бумага. Собранный таким образом брикет разрезался на пластины толщиной 0,3 мм, которые представляли заготовку из 16 нескоммутированных ветвей. Для коммутации ветвей в термопары на поверхность ветвей термовакуумным способом наносили перемычки из висмута и получали субмодуль из восьми термопар. Далее 16 субмодулей склеивали в блок, в котором они соединялись последовательно.

Установлено, что на контактах в микромодульных блоках при термообработке происходит реакционная диффузия висмута в термоэлектрические сплавы с образованием соединений составов, (BixSb1-x)2,7Te при х=0.66-0.74, и Bi xTe при х=3-2. До момента истощения висмутовой перемычки скорость взаимодействия в микромодульном блоке может характеризоваться параметрами, полученными на диффузионных парах Bi-( Bi2Se0.3Te2.7) и Bi-( Bi0.48Sb1.52Te3), которые используются для получения зависимости времени стабильной работы от температуры. Эти процессы проиллюстрированы рис. 4

Рис. 4 Изменение интенсивности рентгеновского излучения при сканировании электронным зондом торцевых поверхностей в зоне контактов ветвей р- и n – типа после 20 часов отжига при температуре 2000С:

а- схема сканирования; б – кривые интенсивности рентгеновского излучения: SbL 1, Te L 1, Bi L 1 и материалы положительной и отрицательной ветвей, 2- коммутационная перемычка висмута, 3- изоляционная прослойка.

Измерения термоэдс. микромодуля и внутреннего электрического сопротивления после термообработки показали, стабильность выходного напряжения и скачкообразное уменьшение проводимости. Последнее связано с ростом электрического сопротивления контакта в результате истощения перемычки висмута с последующим отслоением сформировавшейся реакционной зоны от термоэлектрических сплавов.

Показано, что рост электрического сопротивления контакта происходит в результате истощения перемычки висмута с последующим отслоением сформировавшейся реакционной зоны от термоэлектрических сплавов.

На основании результатов исследования кинетики химического взаимодействия на контактах предложены эмпирические зависимости времени стабильной работы ветвей микромодульного термоэлектрического блока от температуры горячего спая. Зависимость между сроком службы t контактов и температурой T теплопоглощающего спая можно найти, если использовать связь между хпр и временем t (хпр = (2Dt)1/2) и учесть температурную зависимость коэффициента диффузии D=D0exp(-Q/kT). После подстановки и логарифмирования можно записать два выражения lnt = f(1/T) в линейной форме соответственно для p- и n- ветвей.

lnt1 = Q1/kT + ln (х2 пр1/2D01) - p- ветвь

lnt2 = Q2/kT + ln (х2 пр2/2D02) - n- ветвь

Здесь Q1=0.71эВ и Q2=1.21эВ - энергии активации диффузии; D01=2.2.10-3см2/с и D02 = 513см2/с - частотные факторы диффузии на контактах Bi-( Bi0.48Sb1.52Te3) и Bi-( Bi2Se0.3Te2.7) соответственно; х пр1=50мкм и х пр2=90мкм. На рис 5 дано графическое представление lnt1 и lnt2.

Рис. 5 Зависимость долговечности работы контактов ветвей р- и n- типа проводимости от температуры теплопоглощающего спая

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Показано, что с целью повышения точности количественного рентгеновского микроанализа необходимо оптимизировать стандарты, применяемые для анализа. Установлено, что вклад эффектов поглощения рентгеновского излучения, сканирующего луча микроскопа в ошибку определения содержания не будет превышать 2% - 5% при значениях функции поглощения f = 0,95-0,85, и относительном отклонении коэффициентов поглощения образца и эталона в диапазоне 0,4-0,1 соответственно. Введение поправок на атомный номер необходимо в случае, если отклонение Z/Z превышает 10%.

2. Подобраны стандарты для определения основных компонентов в материалах Bi2Te3-Bi2Se3, Bi2Te3-Sb2 Te3 и Si-Ge были выбраны стандарты: Bi2Te3 для определения висмута и теллура, Sb2Te3 - сурьмы; Bi2Se3 - селена; Ge - германия; MnSi- кремния. При этом ошибка в определении концентрации в случае применения поправок практически не превышает относительную квадратичную ошибку в определении относительной интенсивности К= ( Ix-Ixф)/(I0-I0ф) ~ 1-1,5%.

3. Разработан стенд для проведения исследований микромодульных термоэлектрических блоков in situ в камере электронного микроскопа, позволяющая проводить нагрев, имитирующий температурный рабочий режим, измерять электрическое сопротивления образца, обеспечивать условия для формирования вольтового контраста.

4. Отработаны статистические методы для определения элементного и фазового состава сплава Si0.68Ge0.32 методами рентгеновского микроанализа. Показано, что для корректной интерпретации результатов необходимо предварительное электронно-микроскопическое и металлографическое исследование микроструктуры материала с целью определения размеров зерен и их пространственной ориентации.

5. Экспериментально установлено, что в процессе синтеза сплава состава Si0,68Ge0,32 формируются области размером несколько десятков микрометров с двумя преимущественными концентрациями основных компонентов..Применение технологий, обеспечивающих более равновесные условия синтеза (зонное выравнивание), и увеличивающих скорость диффузии (прессование, механоактивационный синтез) позволяет повысить концентрационную однородность сплава. Наиболее высокой степенью однородности обладают сплавы, полученные механоактивационным методом и зонным выравниванием.

6. На основании результатов электронно-зондового анализа в поверхности сплавов получены эмпирические законы распределения содержания основных компонентов, параметры, которых чувствительные к способу приготовления сплава.

Произведён расчет проводимости сплавов кремний-германий с учетом их неоднородности. Показано, что рост гомогенности сопровождается уменьшением электропроводности, что обусловлено влиянием объемной проводимости структурных составляющих.

7. Установлено влияние технологии изготовления полупроводниковых сплавов Bi2 Se0.6Te2.4 и Bi2 Se0.3 Te2.7 на их термоэлектрические свойства и концентрационную неоднородность и предложены наиболее оптимальные способы приготовления материалов. Показано, что наиболее высокую концентрационную однородность обеспечивает высокоскоростная закалка из жидкого состояния с последующим прессованием и отжигом при 4000С. Удовлетворительная однородность получается также методами экструзии и прессованием порошка с последующей термообработкой.

8. Установлена корреляция между концентрационной неоднородностью и электрофизическими свойствами: уменьшение термоэдс обусловлено ростом концентрационных неоднородностей, а снижение проводимости- частично увеличением неоднородности сплавов и количества структурных дефектов.

9. Сравнением расчетных значений электропроводности с результатами измерений установлено, что для сплавов Bi2 Se0.6Te2.4 и Bi2 Se0.3Te2..7 главным фактором, воздействующим на проводимость материала, является совокупность структурных дефектов: междоузельные атомы, дислокации, дефекты упаковки, границы зерен и двойников. Изменение электродвижущей силы, в обоих сплавах связывается с существованием слоистых концентрационных неоднородностей.

10. Установлено, что на контактах в разработанных микромодульных блоках при термообработке происходит реакционная диффузия висмута в термоэлектрические сплавы с образованием сплавов состава (BixSb1-x)2,7Te при х=0.66-0.74, Bi xTe при х=3-2. До момента истощения висмутовой перемычки скорость взаимодействия в микромодульном блоке может характеризоваться параметрами, полученными на диффузионных парах Bi-( Bi2Se0.3Te2.7) и Bi-( Bi0.48Sb1.52Te3), которые используются для получения зависимости времени стабильной работы от температуры.

11. Показано, что причиной роста электрического сопротивления контакта является истощения перемычки висмута с последующим отслоением сформировавшейся реакционной зоны от термоэлектрических сплавов На основании полученных данных предложены эмпирические зависимости времени стабильной работы от температуры горячено спая.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Статьи в журналах из списка ВАК:

1. Ландышев А.В., Лаврентьев А.А., Ландышев В.А. Исследование концентрационных неоднородностей в сплавах SiO0,68Ge0,32. //«Микросистемная техника», 2004, №9, с.4-8

2. Ландышев А.В., Лаврентьев А.А., Ландышев В.А. Электронно-зондовые исследования микромодульных термоэлектрических блоков.//«Микросистемная техника», 2005, №2, с.28 - 32

3. Ландышев А.В., Лаврентьев А.А., Ландышев В.А. Исследование влияния концентрационных неоднородностей в сплавах Bi2Se0,3Te2,7 и Bi2Se0,6Te2,4 на их термоэлектрические свойства. //«Микросистемная техника», 2006, № 2, с.8 – 13

Статьи в других изданиях:

1. Ландышев А.В., Лаврентьев А.А., Ландышев В.А. Особенности концентрационных неоднородностей в сплавах SiGe.// Материалы Восьмой международной научно-технической конференция ПЭМ-2004 Таганрог. ТРТУ, 2004, с. 141 -142

2. Ландышев А.В., Лаврентьев А.А., Ландышев В.А., Соколов А.А. Электронно-зондовые исследования механизма отказа в микромодульных, термоэлектрических блоках // Тезисы докладов 6-ой Международной конференции «Опто- и наноэлектроника, нанотехнологии и микросхемы», Ульяновск, 2004 г., с. 160

3. Ландышев А.В., Лаврентьев А.А., Ландышев В.А. Электронно-зондовые исследования механизма отказа в микромодульных, термоэлектрических блоках. //Материалы Восьмой международной научно-технической конференции ПЭМ-2004 с. Таганрог. ТРТУ, 2004,с. 139 -140.

4. Ландышев А.В., Лаврентьев А.А., Ландышев В.А. Исследования физико-химического взаимодействия микромодульных термоэлектрических блоках // Доклады Международной конференции "Физико химические процессы в неорганических материалах" Посвящённой 50-летию Кемеровского гос. университета 2004 г., г. Кемерово 2004 том 1 с 583-584

5. Ландышев А.В., Лаврентьев А.А., Ландышев В.А. Комплексный подход к оценке долговечности термоэлектрических преобразователей // Сборник трудов 10-го Международного симпозиума «Порядок, беспорядок и свойства оксидов», 12 – 17 сентября 2007 г., г. Ростов-на-Дону -, Россия, часть II, с. 126 –128.

Личный вклад диссертанта в работах выполненных в соавторстве, заключается в следующем:

в [1] Разработана методика качественной оценки содержания концентрационных неоднородностей в сплавах SiO0,68Ge0,32.

в [2] Обобщены и проанализированы с использованием методов математической статистики результаты исследований термоэлектрических микромодульных блоков.

в [3] Разработана математическая модель позволяющая оценить влияние концентрационных неоднородностей в сплавах Bi2Se0,3Te2,7 и Bi2Se0,6Te2, на их термоэлектрические свойства

в [4] Разработана методика оценки влияния концентрационных неоднородностей на термоэлектрические свойства сплавов SiGe

в [5] Разработана методика электронно- зондовых исследований позволяющая определить структурные изменения соединений микромодульных, термоэлектрических блоках

в [6] Разработан экспериментальный стенд для исследования деградации перемычек висмута в термоэлектрических микромодульных блоках методом вольтового контраста.

в [7] Предложен комплексный подход к оценке долговечности микромодульных термоэлектрических модулей с использованием методик рентгеноспектрального анализа.

в [8] Произведён анализ причин снижения напряжения микромодульных термоэлектрических блоков.



Pages:     | 1 ||
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.