TermoelektřinaTermoelektřinaaneb fyzika pevných látek v praxianeb fyzika pevných látek v praxi

Čestmír DrašarČestmír Drašar Patrik ČermákPatrik Čermák

Ústav aplikované fyziky a matematiky,

FChT, Univerzita Pardubice

SPŠE Pardubice,

Karla IV. 13

Hlavní bodyHlavní body

Základní „objekty“ FPLZákladní „objekty“ FPL– Atom, Orbital, Pásy, KrystalyAtom, Orbital, Pásy, Krystaly

Transportní vlastnostiTransportní vlastnosti– Rozptyl, Elektrická a tepelná vodivost, Hallův jevRozptyl, Elektrická a tepelná vodivost, Hallův jev

TermoelektřinaTermoelektřina– TE jevy, TE materiály, Mottova rovnice

Moderní trendy v TEsModerní trendy v TEs– Nanorozměr

Aplikace TEsAplikace TEs

Rutherfordův – Chadwickův planetární model atomu s elektronem obíhajícím kolem nepatrného hustého jádra z protonů a neutronů.

[1]

Atomové Atomové OrbitalyOrbitaly

OrbitalOrbital: Místo, kde se elektron vyskytuje s 95% : Místo, kde se elektron vyskytuje s 95% pravděpodobností. pravděpodobností.

Typy orbitalůTypy orbitalů: s, p, d, f, g, h: s, p, d, f, g, h

Kontury atomových orbitalůKontury atomových orbitalů:: Typu Typu gg – možné (dole): – možné (dole): Typu Typu hh – velmi složité. – velmi složité.

Vtzyxp 2),,,(

Struktura pevné fázeStruktura pevné fáze

Tuhé látkyTuhé látky

AmorfníAmorfní KrystalickéKrystalické

MonokrystalickéMonokrystalické PolykrystalickéPolykrystalické

Tuhé látkyTuhé látky

AmorfníAmorfní KrystalickéKrystalické

MonokrystalickéMonokrystalické PolykrystalickéPolykrystalické

KrystalovéKrystalové Mřížky Mřížky

PoruchyPoruchy::– PlošnéPlošné– Čárové (dislokace)Čárové (dislokace)– BodovéBodové::

VakanceVakance

InterstaciálInterstaciál

Krystal NaCl

Elementární buňka

Pásová teorie pevných látekPásová teorie pevných látek

Kondenzace sodíkových atomůKondenzace sodíkových atomů – – vznik energetických pásůvznik energetických pásů

• U U kovůkovů se energetické pásy se energetické pásy překrývajípřekrývají nebo jsou nebo jsou neúplně zaplněnéneúplně zaplněné• U U polovodičů / izolantůpolovodičů / izolantů se nepřekrývají a jsou se nepřekrývají a jsou zcela plnézcela plné nebo nebo zcela prázdnézcela prázdné

r0

E

r0

3s1

2p6

2s2

1s2

N atomů = N hladin

Orbitaly Orbitaly jednotlivých atomůjednotlivých atomů

Pásy Pásy kovového sodíkukovového sodíku

Klesá kinetická energie

Pásová teorie pevných látekPásová teorie pevných látek

E

r0

3s1

2p6

2s2

1s2

Orbitaly Orbitaly jednotlivých atomůjednotlivých atomů

Pásy Pásy kovového sodíkukovového sodíku

Eg

KOV POLOVODIČIZOLANT

Eg

Přirozené bodové poruchyPřirozené bodové poruchy:: VakanceVakance Interstaciály InterstaciályAntistrukturníAntistrukturní

Pásová teorie – Pásová teorie – dopování polovodičůdopování polovodičůUmělé bodové poruchyUmělé bodové poruchy::

Si – B, P…Si – B, P…GaAs – Be, Si, Ge…GaAs – Be, Si, Ge…

Eg

TransportTransport - Rozptyl - Rozptyl

Dráha Dráha (rozptyl) (rozptyl) elektronuelektronu::

Mechanismy rozptyluMechanismy rozptylu:: Na kmitech mřížky (fonony)Na kmitech mřížky (fonony) Na ionizovaných příměsíchNa ionizovaných příměsích Na neionizovaných příměsích Na neionizovaných příměsích

a strukturních poruchách a strukturních poruchách

vl

log

log T

Ionizované příměsi

Mřížkový rozptyl

Větší koncentrace

~T3/2 ~T-3/2

qnRH

xxx*

xx* Eq

v

dt

vdmEq

dt

vdm

TransportTransport – Elektrická vodivost – Elektrická vodivost

Transport náboje Transport náboje v látkovém prostředí:v látkovém prostředí:

Mikroskopický pohled na Mikroskopický pohled na Ohmův zákonOhmův zákon::

xx

xx

Em

qv

Eqt

vm

*

*

dvqnS

Ij

dt

qSdlnI

Ej

EqnEm

qqnjn

*

nq

nm

q*

2

elektron!

S

dV

dl

I

(kovy)

TransportTransport – Tepelná vodivost – Tepelná vodivost

SložkySložky:: Mřížková (Mřížková (mm))

Elektronová (Elektronová (ee))

Franzův-Wiedemannův Franzův-Wiedemannův zákon zákon (kovy):(kovy):

81045,2

k

Tk

Lorenzovo číslo

TransportTransport – Hallův jev – Hallův jev

I

B

UH

+

-Fm

Fe

d

b

-

+++

--

Pozn.: neuvažujeme rozptyl.

EH

d

BI

qnU

EqBvq

FF

H

d

em

1

pnHH qnAR

,

1

Hallův rozptylový faktor

„„Klasický“ Klasický“ Hallův jevHallův jev::

DáleDále::

KvantovýKvantový SpinovýSpinový

TermoelektřinaTermoelektřina – TE jevy – TE jevy

1.1. ThomsonůvThomsonův

2.2. SeebeckůvSeebeckův

3.3. PeltierůvPeltierův

p-typ n-typ

U+ -

++

+-

--

ZAHŘÍVÁME 3.2.

)( 12 TTU AB TABAB

p-typ n-typ++

+

---

- --

OCHLAZOVÁNÍ

Peltierův článekPeltierův článek

Termoelektřina Termoelektřina – TE materiály– TE materiály

TZT 2

ZT-parametr

Maximální účinnost TE generátoru

ZTTT

ZT

T

TT

HCH

CH

1/

1)(500 1000 1500

0

1

2

3

4

p - SiGe

ZT = 1

n - SiGe

p - Bi0.5

Sb1.5

Te3

n - PbTe

n - Bi2Te

2.95Se

0.05

Z*1

03 (K

-1 )

T ( K )

p - Ce Fe0.9

Co0.1

Sb3

p - Zn4Sb

3

500 1000 15000

1

2

3

4

p - SiGe

ZT = 1

n - SiGe

p - Bi0.5

Sb1.5

Te3

n - PbTe

n - Bi2Te

2.95Se

0.05

Z*1

03 (K

-1 )

T ( K )

p - Ce Fe0.9

Co0.1

Sb3

p - Zn4Sb

3

Teplotní závislost Z a ZT-parametru pro vybrané materiály

Mottova rovniceMottova rovnice

FE

B

dE

Ed

q

Tk

ln

3

22

FE

B

dE

Ed

dE

Edn

nq

Tk

11

3

22

hustota stavůhustota stavů pohyblivostpohyblivost

anebanebDobrý termoelektrický materiálDobrý termoelektrický materiál

Moderní TEsModerní TEs - Nanorozměr - Nanorozměr

„„Tam dole je spousta místa.“ Tam dole je spousta místa.“ (R. P. Feynman)(R. P. Feynman)

nano – nano – 1010-9-9 (1 nanometr = 0,000000001 m)(1 nanometr = 0,000000001 m)

TermoelektřinaTermoelektřina – Aplikace – Aplikace

Peltierův jevPeltierův jev – chlazení: – chlazení:– součástek, krevní plasmy a sér, autocampingsoučástek, krevní plasmy a sér, autocamping

Seebeckův jevSeebeckův jev::– MěřeníMěření::

Teploty (termočlánky)Teploty (termočlánky)

– TE generátoryTE generátory::solární kolektory (nepřímá přeměna slunečního záření), solární kolektory (nepřímá přeměna slunečního záření), vesmírné sondyvesmírné sondy

BudoucnostBudoucnost::– Úplné či částečné nahrazení alternátoru, Úplné či částečné nahrazení alternátoru,

rodinné domky, hodinky, ?????????????rodinné domky, hodinky, ?????????????

ShrnutíShrnutí - Závěr - Závěr

Co by jste měli vědět?Co by jste měli vědět?Všechno!Všechno!

1.1. Atom – orbitaly Atom – orbitaly 2.2. Pásová teorie – asi to tak budePásová teorie – asi to tak bude3.3. Krystaly – fakt pěknýKrystaly – fakt pěkný4.4. Transportní vlastnosti – hromada vzorců a obrázkůTransportní vlastnosti – hromada vzorců a obrázků5.5. Termoelektřina – to chci domůTermoelektřina – to chci domů

OTÁZKY???OTÁZKY???

Literatura Literatura – Použitá a Doporučená– Použitá a Doporučená

[[11]] SStephentephen Hawking Hawking: Stručná historie času v obrazech, : Stručná historie času v obrazech, ARGO 2002 ARGO 2002

(obrázek modelu atomu)(obrázek modelu atomu)

[[22]] D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Vysokoškolská D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Vysokoškolská učebnice obecné fyziky, VUTIUM-PROMETHEUS učebnice obecné fyziky, VUTIUM-PROMETHEUS 20062006

(pěkně zpracovaný soubor knížek)(pěkně zpracovaný soubor knížek)

THE ENDTHE END

Čestmír DrašarČestmír Drašar cestmir.drasar@upce.cz, , http://kf.upce.cz

Patrik ČermákPatrik Čermák patrik.cermak@email.cz, , www.pcermak.webnode.cz

Přednáška byla konána pod záštitou Fyzikálního klubu: Přednáška byla konána pod záštitou Fyzikálního klubu:

www.fyk-spse.tk