1.2 Властивості Bi2Te3 від 200к, що використовуються в термоохолоджувачах

Тверді розчини на основі халькогенідів вісмуту і сурми р-Bi_2-x Sb_x Te_3-y Se_y є високоефективними термоелектричними матеріалами для низькотемпературної області(Т≈200 К). Сполуки Bi₂Te₃ і Sb₂Se₃, утворюють тверді розчини до 70% Sb₂Se₃ р- типу провідності з гексагональними гратками і характеризуються анізотропією кінетичних ефектів внаслідок особливостей кристалічної структури і хімічних зв'язків. Зонна структура твердих розчинів на основі Bi₂Te₃ описується в рамках багатодолинної моделі енергетичного спектру [9].

Багатокомпонентні неізоморфні тверді розчини Bi_2-x Sb_x Te_3-y-z Se_y S_z n- типу відносяться до матеріалів, в яких заміщення атомів відбуваються в обох підгратках Bi₂Te₃ (Sb→Bi і Se, S→Te). При неізоморфних заміщеннях, коли домішкове сполука Bi₂S₃ має орторомбічну гратку, спотворення навколо атомів, що заміщуються, зростають порівняно з ізоморфними заміщеннями (домішкові сполуки Bi₂Se₃, Sb₂Te₃ кристалізується в гратці тетрадіміта, як і Bi₂Te₃). Спотворення кристалічної гратки приводять до збільшення розсіювання фононів і зниження теплопровідності кристалічної гратки k_l. Зниження величини k_l є однією з причин збільшення термоелектричної ефективності в широкому температурному інтервалі, як при температурах істотно нижче за кімнатну, так у області температур >300 К в матеріалах з оптимальними концентраціями електронів для досліджуваних температурних інтервалів (80К–350К).

Дослідження термоелектричних властивостей твердих розчинів Bi_2-x Sb_x Te_3-y-z Se_y S_z різного складу, було проведено на зразках, одержаних методом направленої кристалізації з прецизійним регулюванням температури в процесі вирощування. Склади твердих розчинів варіювалися при зміні вмісту компонентів в межах: 0≤х≤0.2, 0.06≤у≤0.15, 0≤z≤0.15. Зміни концентрації електронів в зразках досягалися при введенні надлишку Те порівняно із стехіометричним складом для отримання низьких концентрацій і легуванням галогенідом CdCl₂ для досягнення високих концентрацій електронів.

Оцінка однорідності монокристалів р-типу провідності проводилася шляхом дослідження зміни коефіцієнта термоЕРС по довжині і поперечному перерізу. Встановлено, що для монокристалів твердого розчину Sb₂Te₃ - Bi₂Te₃, що містять різну кількість Bi₂Te₃, легованих Bi₂Se₃, однорідність кристалів зменшується при збільшенні вмісту Bi₂Te₃, Bi₂Se₃ і надмірного Те. Для монокристалів цього твердого розчину з 25 мол.% Bi₂Te₃, легованих 3 і 4 мол.% Bi₂Se₃, при вирощуванні з розплаву, що містить надмірний Те, коефіцієнт термоЕРС змінювався по довжині від 1 до 3 мкВ/см. При вирощуванні кристалів з розплаву, що містить 40 мол.% Bi₂Te₃, значно збільшується їх неоднорідність по довжині. В цьому випадку при легуванні 7 мол.% Bi₂Se₃ і 3 мас.% надмірного Те коефіцієнт термоЕРС змінюється по довжині кристала від 200 мкВ/К до 15 мкВ/К. Додавання 10 мол.% Bi₂Se₃ і 3.5 мас.% Те приводить до зміни типу провідності: на початку кристала =+250 мкВ/К, в кінці - =-200 мкВ/К [10].