DE4017776A1 - N-leitendes fe-silicid als thermoelektrisches energiewandlermaterial - Google Patents
N-leitendes fe-silicid als thermoelektrisches energiewandlermaterialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein n-leitendes Fe-Silicid als ther
moelektrisches Energiewandlermaterial zur Verwendung in einer
thermoelektrischen Energiewandlervorrichtung, wie einem thermo
elektrischen Generator, der Wärmeenergie direkt in elektrische
Energie umwandelt, einer thermoelektrischen Kühlvorrichtung,
welche nur durch Anlagen eines elektrischen Stroms ein Kühlen
oder Erwärmen bewirken kann, und anderen verschiedenen Wärme
sensoren, welche thermoelektrische Energiewandlung verwenden.
Wie allgemein bekannt, sollte ein thermoelektrisches Ener
giewandlermaterial möglichst einen hohen Seebeck-Koeffizienten S
(µV/°C) aufweisen, um thermisch eine große elektromotorische
Kraft zu erzeugen oder einen hohen Kühleffekt zu zeigen, einen
kleinen spezifischen Widerstand ρ aufweisen, um die Erzeugung
von Joule′scher Wärme möglichst gering zu halten, und auch eine
kleine Wärmeleitfähigkeit k aufweisen, um eine große Temperatur
differenz über das Material hinweg zu erhalten.
Es ist auch bekannt, daß Fe-Silicid (hiernach als "FeSi2"
bezeichnet) wegen seines hohen Seebeck-Koeffizienten ein viel
versprechendes thermoelektrisches Energiewandlermaterial ist.
Jedoch hat FeSi2 einen verhältnismäßig hohen spezifischen Wider
stand ρ in der Größenordnung von einigen Ωcm und daher einen zu
geringen maximalen Generator-Wirkungsgrad zur Verwendung als ein
thermoelektrisches Energiewandlermaterial und auch einen zu
geringen Rauschabstand (im allgemeinen als "S/N - Verhältnis" -
signal-to-noise ratio bezeichnet) zur Verwendung als ein Wärme
sensor.
Man hat daher mehrfach versucht, FeSi2 mit einem niedrigem
spezifischen Widerstand zu erhalten, unter anderem durch ein
Verfahren, bei dem ein Teil des Fe im FeSi2 durch Co ersetzt
wird, und ein Verfahren, wodurch ein Teil der FeSi2 in Form
einer metallischen Phase gebildet wird.
Bei dem letztgenannten Verfahren wird ein Teil des FeSi2 in
Form einer metallischen Phase, wie FeSi oder Fe2Si5 mit einem
geringeren elektrischen Widerstand als die anderen Teile des
FeSi2 gebildet, indem man die Herstellungsbedingungen entspre
chend wählt. Jedoch hat die metallische Phase einen niedrigeren
Seebeck-Koeffizienten von einigen µV/°C, und dementsprechend
kann das gesamte FeSi2-Material keine befriedigenden thermo
elektrischen Energiewandlereigenschaften erreichen.
Bei dem erstgenannten Verfahren bildet das erhaltene FeSi2,
nachdem ein Teil davon durch Co substituiert ist, einen n-Halb
leiter und hat einen Seebeck-Koeffizienten S von -100 bis -200
µV/°C und einen spezifischen Widerstand ρ von 5 - 10 mΩ·cm. Um
jedoch eine wirksamere thermoelektrische Erzeugung von elektri
scher Energie zu erhalten, ist es erwünscht, daß das thermoelek
trische Energiewandlermaterial einen größeren Seebeck-Koeffi
zienten hat (genau gesagt einen höheren Seebeck-Koeffizienten
als Absolutwert, da der Seebeck-Koeffizient eines n-Halbleiters
als ein negativer Wert angegeben wird), und auch erwünscht, daß
es einen niedrigeren spezifischen Widerstand als die jeweiligen
oben angegebenen Werte hat.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Fe-Silicid als thermoelektrisches Energiewandlermaterial zu
schaffen, das ausgezeichnete thermoelektrische Energiewandler
eigenschaften hat, besonders einen großen Seebeck-Koeffizienten
und einen geringen spezifischen Widerstand, so daß es vollkommen
brauchbar ist zur Verwendung in einem thermoelektrischen Ener
giewandler, wie einem thermoelektrischen Generator, einer
thermoelektrischen Kühlvorrichtung und anderen Wärmesensoren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß erfüllt durch ein
n-leitendes Fe-Silicid als thermoelektrisches Energiewandler
material, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Teil des
Fe im Fe-Silicid durch wenigstens ein Element aus der Gruppe Pt,
Pd und Ni ersetzt wird (dieses wenigstens eine Element wird
hiernach als "M" bezeichnet).
Die chemische Formel dieses Fe-Silicids ist Fe1-xMxSi2,
worin x im Bereich von 0,01-0,06 liegt.
Stattdessen kann auch ein Teil des Fe im Fe-Silicid durch
wenigstens ein Element aus der Gruppe Pt, Pd und Ni (wobei
dieses wenigstens ein Element hiernach als "M" bezeichnet ist)
und Co ersetzt werden. In diesem Fall ist die chemische Formel
des Fe-Silicids Fe1-x(M + Co)xSi2, worin x in einem Bereich von
0,01-0,06 liegt.
Bei beiden Ausführungsformen der Erfindung liegt der Wert
von x vorteilhafterweise in einem Bereich vom 0,03-0,06.
Die Erfindung wird mit weiteren Einzelheiten und Vorteilen
durch die folgende Beschreibung erläutert.
Von den erwähnten Gegebenheiten ausgehend haben die
Erfinder Untersuchungen durchgeführt, um ein wirksames Element
zu finden, das anstelle von Co einen Teil des Fe in einem
FeSi2-thermoelektrischen Energiewandlermaterial ersetzen kann,
und haben dabei folgendes gefunden:
Wenn ein Teil des Fe in FeSi2 durch eines oder mehrere der
Elemente Pt, Pd und Ni (dieses eine Element oder mehrere Ele
mente werden hiernach einfach als "M" bezeichnet) ersetzt wird,
oder wenn ein Teil des Fe in FeSi2 durch sowohl M als auch Co
ersetzt wird, zeigt das erhaltene n-leitende Fe-Silicid als
thermoelektrisches Energiewandlermaterial wesentlich bessere
thermoelektrische Energiewandlereigenschaften als ein übliches
n-leitendes Fe-Silicid als thermoelektrisches Energiewandler
material, das erhalten wurde, indem man einen Teil seines Fe
durch nur Co ersetzt.
Die Erfindung beruht auf diesen Erkenntnissen.
Ein erfindungsgemäßes n-leitendes Fe-Silicid als thermo
elektrisches Energiewandlermaterial wird gebildet von einem
Fe-Silicid, worin M einen Teil des Fe im FeSi2 ersetzt, und
entspricht daher chemisch der Formel Fe1-xMxSi2, worin x die
Menge des substituierten Fe im Fe-Silicid angibt. Die Substi
tutionsmenge x sollte zweckmäßigerweise im Bereich vom 0,01 -
0,06 liegen.
Stattdessen kann das erfindungsgemäße n-leitende Fe-Silicid
als thermoelektrisches Energiewandlermaterial auch aus einem
Fe-Silicid gebildet sein, worin ein Teil des Fe im FeSi2 durch
sowohl M als auch Co substituiert ist, und das daher der chemi
schen Formel Fe1-x(M + Co)xSi2 entspricht. Auch in diesem Fall
sollte der Substitutionsfaktor x zweckmäßigerweise in einem
Bereich vom 0,01-0,06 liegen.
Für beide erfindungsgemäße thermoelektrische Energie
wandlermaterialien gilt: Wenn der Substitutionsfaktor x kleiner
als 0,01 ist, kann der spezifische Widerstand nicht in einem
befriedigenden Ausmaß herabgesetzt werden, während wenn er über
0,06 liegt, nimmt der Seebeck-Koeffizient S ab. In dem einen und
anderen Fall zeigt das erhaltene thermoelektrische Energie
wandlermaterial eine schlechtere thermoelektrische Energie
wandlung. Daher wurde der Substitutionsfaktor x auf den Bereich
vom 0,01-0,06 begrenzt. Vorzugsweise sollte er in einem Be
reich von 0,03-0,06 liegen.
Das erfindungsgemäße n-leitende Fe-Silicid-thermoelektri
sche Energiewandlermaterial kann nach einer üblichen bekannten
Methode hergestellt werden.
Beispielsweise, wenn das n-leitende Fe-Silicid-thermoelek
trische Energiewandlermaterial als Masse durch Pulvermetallurgie
erhalten werden soll, werden Fe, Si und der Zusatz M als Aus
gangsmaterialien so gemischt, daß man eine gewünschte bestimmte
chemische Zusammensetzung erhält, und die gemischten Materialien
werden geschmolzen und zu einem Pulver zerkleinert. Das Pulver
wird dann in einer Form gesintert oder heiß gepreßt, um einen
Sinterkörper zu erhalten.
Wenn das n-leitende Fe-Silicid als thermoelektrisches
Material in Form eines dünnen Films verwendet werden soll, wird
ein amorpher Film auf einem aus Glas bestehenden Träger mittels
einer Magnetron-Sputter-Methode unter Verwendung eines Targets
aus einem Material mit einer gewünschten bestimmten chemischen
Zusammensetzung gebildet. Der amorphe Film wird bei einer
Temperatur von 500-800°C zu einem kristallinen Fe-Sili
cid-Film getempert.
Die zwei so erhaltene Fe-Silicide zeigen beide Werte des
Seebeck-Koeffizienten S von -200 bis -400 µV/°C und Werte des
spezifischen Widerstands ρ von 1-3 mΩ·cm. Das heißt die Werte
ihres Seebeck-Koeffizienten sind etwa doppelt so hoch wie die
eines Fe-Silicids, in dem nur Co einen Teil des Fe ersetzt, und
die Werte des spezifischen Widerstands sind etwa nur ein Drittel
so hoch wie beim letztgenannten Material, so daß die erfindungs
gemäßen Materialien hinsichtlich ihrer thermoelektrischen Ener
giewandlereigenschaften weit überlegen sind.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung:
Schmelzmaterialien von Fe, Si, Ni, Pt, Pd und Co wurden
hergestellt und gemischt, um bestimmte chemische Zusammen
setzungen zu erhalten. Die gemischten Schmelzmaterialien wurden
in einen Tiegel aus Aluminiumoxid gegeben und darin unter Vakuum
bei einer Temperatur von 1250°C zu Barren mit jeweils verschie
denen chemischen Zusammensetzungen geschmolzen. Diese Barren
wurden jeder in einem Backenbrecher zerkleinert und dann 8
Stunden lang in einer aus Eisen bestehenden Kugelmühle zu einem
Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von 4 µm pulverisiert.
Die so erhaltenen Pulver wurden bei einer Temperatur von 1000°C
und unter einem Druck von 147 bar heiß gepreßt, um die erfin
dungsgemäßen Sinterkörper Nr. 1-20, die Vergleichs-Sinter
körper Nr. 1-5 und einen üblichen Sinterkörper mit den jeweils
in Tabelle 1 angegebenen chemischen Zusammensetzungen zu erhal
ten. Der spezifische Widerstand p (mΩ·cm) und der Seebeck-Koef
fizient S (µV/°C) bei Raumtemperatur wurden an diesen Sinter
körpern gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.
Die gleichen Pulver mit jeweils verschiedenen chemischen
Zusammensetzungen wie in Beispiel 1 hergestellt wurden unter
genau den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 heiß gepreßt,
um scheibenförmige Targets mit jeweils einer Größe von 125 mm
Durchmesser und 5 mm Dicke mit jeweils verschiedenen chemischen
Zusammensetzungen zu erhalten, wie in Tabelle 2 angegeben, wobei
diese Zusammensetzungen genau identisch mit denen der im Bei
spiel 1 erhaltenen Sinterkörper sind.
Unter Verwendung dieser scheibenförmigen Targets wurden
amorphe Filme von jeweils einer Dicke von 1,2 µm auf aus Glas
bestehenden Trägern mittels HF-Magnetron-Sputtering gebildet.
Die amorphen Filme wurden in einer Argon-Atmosphäre bei einer
Temperatur von 650°C 30 Minuten getempert und kristallisiert,
um die erfindungsgemäßen kristallinen Filme Nr. 21-40, die
kristallinen Vergleichs-Filme Nr. 6-10 und einen üblichen
kristallinen Film zu erhalten, welche in Tabelle 2 angegeben
sind. Die chemischen Zusammensetzungen dieser kristallinen Filme
wurden mit einem Röntgenstrahl-Mikroanalysator analysiert, und
die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben. Weiter wurden der
spezifische Widerstand ρ (mΩ·cm) und der Seebeck-Koeffizient S
(µV/°C) der kristallinen Filme gemessen, und die Ergebnisse sind
auch in Tabelle 2 angegeben.
Aus den in Tabelle 1 und 2 aufgeführten Ergebnissen ist
ersichtlich, daß alle erfindungsgemäßen Sinterkörper Nr. 1-20
und kristallinen Filme Nr. 21-40, die jeweils eine chemische
Zusammensetzung Fe1-xMxSi2, worin ein Teil des Fe durch M er
setzt ist, oder Fe1-x(M + Co)xSi2 haben, worin ein Teil des Fe
durch M und Co ersetzt ist und wobei x jeweils erfindungsgemäß
in einem Bereich von 0,01-0,06 liegt, Werte des spezifischen
Widerstands ρ von 4,5 mΩ·cm und darunter und Werte des Seebeck-
Koeffizienten S in einem Bereich von -200 bis -410 µV/°C zeigen.
Andererseits zeigen die Vergleichs-Sinterkörper Nr. 1-5, der
übliche Sinterkörper, kristalline Vergleichsfilme Nr. 6-10 und
der übliche kristalline Film, worin jeweils ein Teil des Fe
durch nur M oder nur Co ersetzt ist, wobei x außerhalb des
Bereichs von 0,01-0,06 liegt (in den Tabellen 1 und 2 liegen
jeweils die mit einem Stern versehenen Substitutionsbeträge x
außerhalb des Bereichs der Erfindung) Werte des spezifischen
Widerstands ρ von über 4,5 mΩ·cm und/oder Werte des Seebeck-
Koeffizienten unter -200 µV/°C, was bedeutet, daß sie hinsicht
lich ihrer thermoelektrischen Energiewandlereigenschaften den
erfindungsgemäßen Proben weit unterlegen sind.
Claims (6)
1. Ein n-leitendes Fe-Silicid als thermoelektrisches
Energiewandlermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß im
Fe-Silicid ein Teil des Fe durch wenigstens ein Element aus der
Gruppe Pt, Pd und Ni (wobei dieses wenigstens eine Element
dieser Gruppe auch als "M" bezeichnet ist) ersetzt ist.
2. Ein n-leitendes Fe-Silicid als thermoelektrisches
Energiewandlermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Fe-Silicid der chemischen Formel Fe1-xMxSi2 entspricht,
worin x eine Zahl im Bereich von 0,01-0,06 ist.
3. Ein n- leitendes Fe-Silicid als thermoelektrisches
Energiewandlermaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß x eine Zahl im Bereich von 0,03-0,06 ist.
4. Ein n-leitendes Fe-Silicid als thermoelektrisches
Energiewandlermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß im
Fe-Silicid ein Teil des Fe durch wenigstens ein Element der
Gruppe Pt, Pd und Ni (wobei dieses wenigstens eine Element auch
als "M" bezeichnet wird) und Co ersetzt ist.
5. Ein n-leitendes Fe-Silicid als thermoelektrisches
Energiewandlermaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Fe-Silicid der chemischen Formel Fe1-x(M + Co)xSi2
entspricht, worin x eine Zahl im Bereich von 0,01-0,06 ist.
6. Ein n-leitendes Fe-Silicid als thermoelektrisches
Energiewandlermaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß x eine Zahl im Bereich von 0,03-0,06 ist.
Applications Claiming Priority (1)
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