Спосіб вирощування термоелектричного матеріалу

Реферат: Спосіб вирощування термоелектричного матеріалу включає завантаження компонентів у кварцову ампулу, синтез матеріалу, наступну його перекристалізацію методом зонної плавки при перемішуванні зони розплаву шляхом обертання ампули навколо своєї осі. Ампулу з термоелектричним матеріалом, яку обертають навколо своєї осі та через яку рухають зону розплаву, розташовують під кутом до вертикалі. UA 75715 U (54) СПОСІБ ВИРОЩУВАННЯ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНОГО МАТЕРІАЛУ UA 75715 U UA 75715 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до методів одержання термоелектричних матеріалів для приладів прямого перетворення теплової енергії в електричну. Запропонований метод дозволяє покращити якість термоелектричних матеріалів, що розширює можливості їх практичного використання у електроніці, приладобудуванні і інших галузях промисловості. Відомий метод і пристрій для вирощування кристалів Cd 1-xZnxTe у рухомій зоні розплаву [1]. Метод включає такі етапи: завантаження вихідних компонентів у стехіометричному співвідношенні; вакуумування і герметизація ампули; синтез матеріалів у коливальній кварцовій трубі і вирощування зі швидкістю 0,02-2 мм/год. При цьому кварцова труба одночасно обертається навколо своєї осі. Недоліком методу є недостатньо ефективне перемішування розплаву при обертанні вертикально розташованої труби. Наслідком цього є неоднорідність складу матеріалу і нерівномірний розподіл термоелектричних параметрів по перерізу та довжині вирощеного злитка. Відомий метод і пристрій вирощування кристалів термоелектричних матеріалів шляхом створення зони плавлення у місці контакту затравочного кристала і попередньо синтезованого термоелектричного матеріалу [2]. Зона розплаву створюється індукційним нагрівником, який переміщується по злитку синтезованого матеріалу. Затравочний і синтезований матеріали обертаються відносно вертикальної осі, при цьому напрям і швидкість обертання можна змінювати. Недоліком наведеного методу, як і в попередньому варіанті, є нерівномірний розподіл електрофізичних параметрів як по перерізу, так і по довжині вирощеного кристала. Окрім цього метод складний у технологічному виконанні, конструкція пристрою для виготовлення кристалів також складна. Відомий метод і пристрій для виготовлення монокристалів або змішаних кристалів на основі In-Ga-As [3]. Пристрій містить ємність для вирощування матеріалу, яка переміщується вертикально відносно нагрівника за допомогою спеціального механізму. Температура у зоні розплаву підтримується швидкістю переміщення ємності з термоелектричним матеріалом, яка для вибраної системи складає 0,4-0,5 мм/год. Недоліком методу є низька ефективність перемішування розплаву, внаслідок чого склад одержаних злитків недостатньо однорідний. Окрім цього вирощування матеріалу при таких низьких швидкостях суттєво збільшує час вирощування, що економічно не вигідно. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є спосіб і пристрій, за яким синтез і вирощування проводиться в одному контейнері [4]. Суміщений контейнер як для синтезу, так і для вирощування розташовується горизонтально і оснащений рухомими електричними нагрівниками, які монтуються в установці залежно від проведення необхідного процесу: синтез або вирощування. Недоліком способу і пристрою є низька ефективність перемішування розплаву термоелектричного матеріалу безпосередньо у процесі синтезу злитка. При цьому спостерігається нерівномірний розподіл температури внаслідок неоднакового тепловідводу під час кристалізації матеріалу в центрі та на периферії кристалу і нерівномірний розподіл компонентів у зоні розплаву внаслідок седиментації. Це призводить до утворення увігнутої форми фронту кристалізації, неоднорідності розподілу компонент у злитку, а відповідно і до нерівномірності термоелектричних параметрів по перерізу і довжині злитка. Тому досить актуальною є задача створення високоякісного термоелектричного матеріалу з рівномірним розподілом компонентів у злитку, а відповідно і термоелектричних параметрів вирощеного матеріалу. Поставлене задача вирішується тим, що у способі вирощування термоелектричного матеріалу, який включає завантаження компонентів у кварцову ампулу, синтез матеріалу, наступну його перекристалізацію методом зонної плавки при перемішуванні зони розплаву шляхом обертання ампули навколо своєї осі, ампула з термоелектричним матеріалом, яка обертається навколо своєї осі і через яку рухається зона розплаву, розташована під кутом до вертикалі. Відповідність критерію "новизна" запропонованому способу забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоновано принципово нове рішення для термоелектричних матеріалів, яке полягає в тому, що у способі вирощування термоелектричного матеріалу, який включає завантаження компонентів у кварцову ампулу, синтез матеріалу, наступну його перекристалізацію методом зонної плавки при перемішуванні зони розплаву шляхом обертання ампули навколо своєї осі, ампула з термоелектричним матеріалом, яка обертається навколо своєї осі і через яку рухається зона розплаву, розташована під кутом до вертикалі. Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, його реалізація можлива на існуючих електронних і приладобудівних підприємствах. 1 UA 75715 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Суть способу вирощування термоелектричного матеріалу пояснюється кресленням, де наведена схема пристрою вирощування термоелектричного напівпровідникового матеріалу методом зонної плавки під кутом  до вертикалі. Спосіб включає попередній синтез напівпровідникового термоелектричного матеріалу, у кварцовій ампулі. Після синтезу ампулу охолоджують до кімнатної температури і злиток з матеріалу перекристалізовують через рухому розплавлену зону при обертанні ампули навколо своєї осі. При цьому ампула зі злитком, що обертається, розташована під певним кутом до вертикалі. Пристрій для перекристалізації (креслення) термоелектричного матеріалу містить ампулу з синтезованим матеріалом 1, яка розташована між циліндричними вставками з кварцу 2, 3. Вставки закріплені у втулках 4, 5, які мають можливість обертання навколо своєї осі на кулькових підшипниках, розташованих у основах 6, 7. Втулка 3 разом з ампулою 1 обертається за допомогою електричного двигуна 8, який оснащений редуктором для зміни при необхідності швидкості обертання. Коаксіально до ампули 1 розташовано електричний нагрівник 9 і водяні охолоджувачі 10, 11. Нагрівник 9 і охолоджувачі 10, 11 закріплені на платформі 12, яка має можливість переміщення від нижньої основи 7 до верхньої 6. Переміщення здійснюється за допомогою двигуна 13, який також оснащений редуктором для зміни швидкості руху платформи 12. Вся конструкція закріплена на плиті 14 і встановлена під кутом  до вертикалі. За способом, запропонованим у корисній моделі, проведено вирощування термоелектричного матеріалу на основі Ві2Те3. Попередньо у кварцову ампулу завантажено компоненти у необхідному співвідношенні, проведено синтез матеріалу на основі Ві 2Те3 у коливальній печі при температурі 760-780 °C і неперервному перемішуванні протягом 1 години. Охолоджений до кімнатної температури злиток у кварцовій ампулі встановлено у описаний вище пристрій і проведено його перекристалізацію шляхом створення рухомої зони розплаву при неперервному обертанні ампули навкруги своєї осі. Температура електричного нагрівника складала 780-820 °C, швидкість руху зони розплаву 18-22 мм/год., швидкість обертання ампули 3-4 об/хв. Розташування ампули з термоелектричним матеріалом під кутом при неперервному обертанні призводить до утворенні газового прошарку, неперервного примусового перемішування розплаву у зоні і відповідно вирівнювання температури та концентрації компонентів, утворення плоскої форми кристалізації і, як наслідок, до високої однорідності розподілу компонент матеріалу. Таке перемішування набагато ефективніше порівняно з відомими способами при вертикальному розташуванні ампули з термоелектричним матеріалом. Однорідність отриманого матеріалу підтверджується порівняльними дослідженнями величин термоелектричних параметрів матеріалів, отриманих відомим способом і запропонованим вирощуванням під кутом. Вимірювання термоелектричним параметрів  і  по перерізу злитків (d=24 мм) у 60 точках показали, що відхилення від середнього значення у злитках, вирощених запропонованим способом, у 2-2,5 рази менше порівняно зі способом, наведеним у прототипі. Таким чином, вирощування термоелектричного матеріалу запропонованим способом значно покращує електрофізичні властивості вирощених злитків внаслідок покращення їх однорідності. Це сприяє зменшенню кількості відбракованого за термоелектричними параметрами матеріалу і збільшенню виходу якісних термоелементів і приладів на їх основі. Джерела інформації: 1. Пат. CN101871123. МКИ: С30В13/02, С30В29/46. Method and device for growing cadmium zinc telluride crystals in mobile tellurium solvent melting zone / Chen Jun; Xiaoyan Liang; Jiahua Min; Dong Wang; Linjun Wang; Jijun Zhang (CN). - Опубл. 27.10.2010. 2. Пат. DE5102010014110. МКИ: С30В13/26, C30B13/28. Method for producing a semiconductor crystal for forming melt zone under rotation of the raw material-crystal by industrial heating coil / Suzuki Satoshi; Shigeno Hideki; Nakazawa Keiichi (JP). - Опубл. 28.10.2010. 3. Пат. JP2003238287. МКИ: С30В13/00, С30В29/40. Method of manufacturing solid solution single crystal / Kinoshita Kyoichi; Yoda Shinichi; Hanaue Yasuhiro; Nakamura Hirohiko; Ogata Yasuyuki (JP). - Опубл. 27.08.2003. 4. Пат. RU2107116. МКИ: C30B11/00, С30В13/14, С30В35/00. Устройство для получения термоэлектрических материалов / Аристов Г.Ф., Зинихин С.А. (RU). - Опубл. 20.03.1998. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 1. Спосіб вирощування термоелектричного матеріалу, що включає завантаження компонентів у кварцову ампулу, синтез матеріалу, наступну його перекристалізацію методом зонної плавки 2 UA 75715 U 5 при перемішуванні зони розплаву шляхом обертання ампули навколо своєї осі, який відрізняється тим, що ампулу з термоелектричним матеріалом, яку обертають навколо своєї осі та через яку рухають зону розплаву, розташовують під кутом до вертикалі. 2. Спосіб вирощування термоелектричного матеріалу за п. 1, який відрізняється тим, що кут відхилення ампули від вертикалі знаходиться в межах 0-90° і його вибирають таким, що забезпечує ефективне примусове перемішування у сформованій зоні розплаву і утворення плоскої форми фронту кристалізації термоелектричного матеріалу. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3