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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:蘇正芳
研究生(外文):Cheng-Fang Su
論文名稱:利用垂直式Bridgman法成長錫鉍化碲晶體及熱電特性分析
論文名稱(外文):Thermoelectric Properties of (SnTe)m(Bi2Te3)n Crystals Grown by Vertical Bridgman Method
指導教授:吳慶成
指導教授(外文):Ching-Cherng Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立東華大學
系所名稱:材料科學與工程學系
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:90
中文關鍵詞:布里居曼優值晶體成長熱電
外文關鍵詞:ZTBridgmanthermoelectriccrystal growth
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摘要

碲化鉍(Bi2Te3)化合物為室溫下典型的熱電材料。添加SnTe化合物於此材料將形成—錫鉍化碲(SnTe)m(Bi2Te3)n之三元化合物,其最大ZT值會往較高的溫度範圍偏移,可提高其應用的溫度範圍。
本實驗將利用垂直式布里居曼長晶法(Vertical Bridgman Method)成長不同化學當量比(stoichiometry) 的(SnTe)m(Bi2Te3)n三元化合物,m:n分別為1:1、1:1.25、1:1.5、1:1.75、1:2和0:1。成長後的晶體,將以X-Ray 、SEM和EPMA來鑑定晶體結構的品質與材料的成份。在300至600K之間進行Seebeck係數,電阻率和熱傳導係數隨溫度變化的量測;並觀察各樣品在室溫時的霍爾係數及載子濃度等電特性。本論文將詳細討論錫鉍化碲(SnTe)m(Bi2Te3)n晶體熱電性質與溫度和成份的關係。

關鍵字:熱電、布里居曼、優值、晶體成長
Abstract

Bi2Te3 compound is the typical material under room temperature. Alloying this material with SnTe will form a new ternary compound (SnTe)m(Bi2Te3)n. The maximum value of ZT (the figure of merit) for these materials will occur in the higher temperature range and hence the application temperature range of these materials will be extended.
In this study, the (SnTe)m(Bi2Te3)n crystals with m:n=1:1、1:1.25、1:1.5、1:1.75、1:2 and 0:1 were grown by vertical Bridgman method. The crystallinity and composition were examined by X-Ray 、SEM and EPMA. The temperature dependence of the Seebeck coefficient, resistivity and thermal conductivity of (SnTe)m(Bi2Te3)n crystals were measured at temperature range from 300K to 600K. The Hall measurement was carried out at room temperature. The temperature and composition dependence of thermoelectric properties for these materials were discussed.

Key words: thermoelectric, Bridgman, ZT, crystal growth
目錄

摘要…………………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要…………………………………………………………………. Ⅱ
目錄…………………………………………………………………………Ⅲ
表目錄……………………………………………………………………. Ⅵ
圖目錄………………………………………………………………………Ⅶ
一、前言………………………………………………………………………1
1.1研究背景…………………………………………………………….1
1.2研究動機…………………………………………………………….4
1.3研究方向…………………………………………………………….5
二、文獻回顧…………………………………………………………………6
2.1基礎原理……………………………………………………………6
2.1.1 Seebeck效應……………………………………………………6
2.1.2 Peltier效應……..……………………………………………….7
2.1.3 Thomson效應…………………………………………………10
2.1.4 ZT值…………………………………………………………..12
2.1.5載子濃度之影響………………………………………………12
2.2熱電材料的物理性質…………………………………………….14
2.2.1晶格振動之量子化與聲子……………………………………14
2.2.2電學性質………………………………………………………14
2.2.3霍爾效應之理論………………………………………………16
2.3 SnTe-Bi2Te3系統合金…………………………………………….19
2.3.1晶體結構與化學鍵結…………………………………………19
2.3.2相圖……………………………………………………………22
三、實驗方法與步驟……………………………………………………….25
3.1實驗流程………………………………………………………….25
3.2晶體成長….………………………………………………………..25
3.2.1晶體成長布步驟………………………………………………29
3.3材料分析……………………………………………………………33
3.3.1 X-Ray繞射分析………………………………………………33
3.3.2電子顯微分析…………………………………………………33
3.4熱電特性量測………………………………………………………34
3.4.1熱傳導係數和Seebeck係數量測原理與方法……….………34
3.4.2電阻率量測……………………………………………………40
3.4.3霍爾效應量測…………………………………………………42
四、實驗結果與討論……………………………………………………….45
4.1結晶品質分析結果……………………………………………….45
4.1.1錫鉍化碲晶體之物性…………………………………………45
4.1.2電子顯微分析結果……………………………………………46
4.1.3 X-ray繞射之分析結果……………………………………….46
4.2特性量測分析結果……………………………………………….60
4.2.1電阻率……….………………………….……………………60
4.2.2 Seebeck係數………………………………………………….61
4.2.3熱傳導係數……………………………………………………63
4.2.4霍爾量測之結果………………………………………………64
4.3綜合討論………………………………………………………….78
五、結論……………………………………………………………………83
參考資料……………………………………………………………………86








表目錄

表3-1、各成份元素之實際稱重…..………………………………………29
表3-2、材料製程條件………………………………………………………32
表4-1、樣品A(m:n=1:1)EPMA成份分析結果…………………………50
表4-2、樣品B(m:n=1:1.25)EPMA成份分析結果………………………51
表4-3、樣品C(m:n=1:1.5)EPMA成份分析結果…………………………52
表4-4、樣品D(m:n=1:1.75)EPMA成份分析結果………………………53
表4-5、樣品E(m:n=1:2)EPMA成份分析結果……………………………54
表4-6、樣品F(m:n=0:1)EPMA成份分析結果……………………………55
表4-7、各成份其電阻率量測之結果………………………………………68
表4-8、各成份其Seebeck係數量測之結果………………………………72
表4-9、各成份其熱傳導係數量測之結果…………………………………76
表4-10、各樣品於室溫時(300K),載子濃度和霍爾係數量測之結果……77
表4-11、各成份其ZT值計算之結果………………………………………82




圖目錄

圖1-1、碲化鉍熱電材料的致冷系統…………….…………………………2
圖2-1、Seebeck效應示意圖………………………………………………..7
圖2-2、Seebeck原理示意圖(a)金屬棒兩端溫度不同(b)兩端在非平衡狀態下自由電子分佈情形(c)電子平衡時出現的Seebeck電位的圖形…………...………………………………………………………8
圖2-3、Peltier效應示意圖……….…………………………………………9
圖2-4、(a)在開放迴路單一導體的對稱性溫度梯度(b)在封閉迴路單一導體中由Thomson效應產生的非對稱性溫度梯度……………….11
圖2-5、載子濃度與S、ρ與ZT值之關係…………………………………13
圖2-6、p-type的霍爾效應圖示…………………………………………….16
圖2-7、Bi2Te3化合物的結晶結構…………………………………………20
圖2-8、Bi-Te二元相圖……………………………………………………23
圖2-9、於Bi-Te系統中,Bi2Te3附近的相圖…………………………….24
圖2-10、SnTe- Bi2Te3系統的相圖…………………………………………24
圖3-1、實驗流程圖………………………………………………………..26
圖3-2、Bridgman Method晶體成長示意圖………………………………27
圖3-3、垂直式布里居曼(Bridgman)成長系統…………………………….28
圖3-4、鍍上碳膜之石英管………………………………………………..30
圖3-5、真空封管示意圖……………………………………………………31
圖3-6、晶體成長之溫度梯度………………………………………………33
圖3-7、比較法示意法………………………………………………………36
圖3-8、Seebeck係數量測系統圖…………………………………………37
圖3-9、量測試片實體和示意圖……………………………………………38
圖3-10、熱傳導係數和Seebeck係數量測系統示意圖……………………39
圖3-11、不規則形狀試片的四個接點……………………………………41
圖3-12、修正因子F對Rr的作圖…………………………………………41
圖3-13、長方體霍爾量測試片示意圖……………………………………43
圖3-14、試片接線示意圖…………………………………………………44
圖4-1、樣品A之SEM二次電子表面形態圖,倍率依序為50、900、5K倍………………………………………………………………….48
圖4-2、樣品B之SEM背向式電子表面形態圖,倍率依序為80、900、4.5K倍……………………………………………………………49
圖4-3、樣品A(m:n=1:1)之XRD………………………………………56
圖4-4、樣品B(m:n=1:1.25)之XRD……………………………………56
圖4-5、樣品C(m:n=1:1.5)之XRD…………………………………….57
圖4-6、樣品D(m:n=1:1.75)之XRD……………………………………57
圖4-7、樣品E(m:n=1:2)之XRD……………………..……………….58
圖4-8、樣品F(m:n=0:1)之XRD……………………..………………..58
圖4-9、樣品B前、後段之XRD比較………………..………………….59
圖4-10、樣品A、E和F之XRD比較…………………………………..59
圖4-11、樣品A的電阻率與溫度之關係圖………………………………65
圖4-12、樣品B的電阻率與溫度之關係圖………………………………65
圖4-13、樣品C的電阻率與溫度之關係圖………………………………66
圖4-14、樣品D的電阻率與溫度之關係圖………………………………66
圖4-15、樣品E的電阻率與溫度之關係圖………………………………67
圖4-16、樣品F的電阻率與溫度之關係圖………………………………67
圖4-17、樣品A的Seebeck係數與溫度之關係圖………………………..69
圖4-18、樣品B的Seebeck係數與溫度之關係圖………………………..69
圖4-19、樣品C的Seebeck係數與溫度之關係圖………………………..70
圖4-20、樣品D的Seebeck係數與溫度之關係圖………………………..70
圖4-21、樣品E的Seebeck係數與溫度之關係圖………………………..71
圖4-22、樣品F的Seebeck係數與溫度之關係圖………………………..71
圖4-23、樣品A的熱傳導係數與溫度之關係圖…………………………73
圖4-24、樣品B的熱傳導係數與溫度之關係圖…………………………73
圖4-25、樣品C的熱傳導係數與溫度之關係圖…………………………74
圖4-26、樣品D的熱傳導係數與溫度之關係圖…………………………74
圖4-27、樣品E的熱傳導係數與溫度之關係圖…………………………75
圖4-28、樣品F的熱傳導係數與溫度之關係圖…………………………75
圖4-29、各成份的電阻率與溫度之關係圖……………………………….80
圖4-30、各成份的Seebeck係數與溫度之關係圖…………………………80
圖4-31、各成份的熱傳導係數與溫度之關係圖…………………………..81
圖4-32、各成份的ZT值與溫度之關係圖………………………………..81
目錄

摘要…………………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要…………………………………………………………………. Ⅱ
目錄…………………………………………………………………………Ⅲ
表目錄……………………………………………………………………. Ⅵ
圖目錄………………………………………………………………………Ⅶ
一、前言………………………………………………………………………1
1.1研究背景…………………………………………………………….1
1.2研究動機…………………………………………………………….4
1.3研究方向…………………………………………………………….5
二、文獻回顧…………………………………………………………………6
2.1基礎原理……………………………………………………………6
2.1.1 Seebeck效應……………………………………………………6
2.1.2 Peltier效應……..……………………………………………….7
2.1.3 Thomson效應…………………………………………………10
2.1.4 ZT值…………………………………………………………..12
2.1.5載子濃度之影響………………………………………………12
2.2熱電材料的物理性質…………………………………………….14
2.2.1晶格振動之量子化與聲子……………………………………14
2.2.2電學性質………………………………………………………14
2.2.3霍爾效應之理論………………………………………………16
2.3 SnTe-Bi2Te3系統合金…………………………………………….19
2.3.1晶體結構與化學鍵結…………………………………………19
2.3.2相圖……………………………………………………………22
三、實驗方法與步驟……………………………………………………….25
3.1實驗流程………………………………………………………….25
3.2晶體成長….………………………………………………………..25
3.2.1晶體成長布步驟………………………………………………29
3.3材料分析……………………………………………………………33
3.3.1 X-Ray繞射分析………………………………………………33
3.3.2電子顯微分析…………………………………………………33
3.4熱電特性量測………………………………………………………34
3.4.1熱傳導係數和Seebeck係數量測原理與方法……….………34
3.4.2電阻率量測……………………………………………………40
3.4.3霍爾效應量測…………………………………………………42
四、實驗結果與討論……………………………………………………….45
4.1結晶品質分析結果……………………………………………….45
4.1.1錫鉍化碲晶體之物性…………………………………………45
4.1.2電子顯微分析結果……………………………………………46
4.1.3 X-ray繞射之分析結果……………………………………….46
4.2特性量測分析結果……………………………………………….60
4.2.1電阻率……….………………………….……………………60
4.2.2 Seebeck係數………………………………………………….61
4.2.3熱傳導係數……………………………………………………63
4.2.4霍爾量測之結果………………………………………………64
4.3綜合討論………………………………………………………….78
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