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DE1170024B - Thermoelectric material - Google Patents

Thermoelectric material

Info

Publication number
DE1170024B
DE1170024B DEW31846A DEW0031846A DE1170024B DE 1170024 B DE1170024 B DE 1170024B DE W31846 A DEW31846 A DE W31846A DE W0031846 A DEW0031846 A DE W0031846A DE 1170024 B DE1170024 B DE 1170024B
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
thermoelectric material
formula
material according
doping
ces
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DEW31846A
Other languages
German (de)
Inventor
Forrest L Carter
Robert C Miller
Robert R Heikes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Westinghouse Electric Corp
Original Assignee
Westinghouse Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Westinghouse Electric Corp filed Critical Westinghouse Electric Corp
Publication of DE1170024B publication Critical patent/DE1170024B/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B19/00Selenium; Tellurium; Compounds thereof
    • C01B19/007Tellurides or selenides of metals
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/851Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/852Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising tellurium, selenium or sulfur
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40Electric properties

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Luminescent Compositions (AREA)

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Internat. Kl.: HOIm Boarding school Kl .: HOIm

Nummer: Aktenzeichen: Anmeldetag: Auslegetag:Number: File number: Registration date: Display day:

Deutsche Kl.: 21 b - 27/03 German class: 21b - 27/03

W 31846 VIII c/21bW 31846 VIII c / 21b

14. März 1962March 14, 1962

14. Mai 1964May 14, 1964

Die Erfindung bezieht sich auf einen neuen, verbesserten thermoelektrischen Werkstoff mit der Kristallstruktur des Thoriumphosphids (Th3P4) und auf damit hergestellte Bauelemente.The invention relates to a new, improved thermoelectric material with the crystal structure of thorium phosphide (Th 3 P 4 ) and to components produced therewith.

Bei der Bewertung eines thermoelektrischen Werk-Stoffes haben die Fachleute ein zusammengesetztes Kennzeichen mit dem Namen Effektivität (Z) geschaffen. Die Effektivität kann aus Werten, die bei Versuchen mit dem thermoelektrischen Werkstoff gewonnen wurden, errechnet werden. Je höher die Effektivität Z, desto wirksamer ist der Werkstoff. Die Effektivität Z für einen thermoelektrischen Werkstoff ist wie folgt definiert:When evaluating a thermoelectric material, the experts have a compound Marks created with the name Effectiveness (Z). The effectiveness can be derived from values that are at Experiments obtained with the thermoelectric material can be calculated. The higher the Effectiveness Z, the more effective the material is. The effectiveness Z for a thermoelectric material is defined as follows:

Dabei ist
α der Seebeck-Koeffizient (V/0C),
It is
α the Seebeck coefficient (V / 0 C),

ρ der spezifische elektrische Widerstand (Ohm · cm), ρ is the specific electrical resistance (ohm cm),

K die thermische Leitfähigkeit (Watt/cm0 C). K is the thermal conductivity (watt / cm 0 C).

Aus der obenstehenden Gleichung kann ersehen werden, daß die Effektivität eines thermoelektrischen Werkstoffes erhöht wird, wenn der spezifische elektrische Widerstand ρ beträchtlich erniedrigt wird, wenn sich nicht gleichzeitig der Seebeck-Koeffizient « oder die thermische Leitfähigkeit K entsprechend ändern. Die Erfindung ist auf ein Verfahren gerichtet, dieses Ergebnis bei einem thermoelektrischen Werkstoff zu erhalten, der eine hohe Prozentzahl von Leerstellen aufweist und der in einigen Bereichen seiner Zusammensetzung halbleitend ist, aber dessen Träger eine geringe Beweglichkeit haben, so wie thermoelektrische Stoffe, die ein Thoriumphosphidgitter (Th3P4) besitzen.From the above equation it can be seen that the effectiveness of a thermoelectric material is increased if the specific electrical resistance ρ is considerably reduced if the Seebeck coefficient or the thermal conductivity K do not change accordingly at the same time. The invention is directed to a method of obtaining this result in a thermoelectric material which has a high percentage of vacancies and which is semiconducting in some areas of its composition, but whose carriers have low mobility, such as thermoelectrics which have a thorium phosphide lattice (Th 3 P 4 ) own.

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Werkstoff mit Thoriumphosphidstruktur. Gemäß der Erfindung ist die Zahl der Leerstellen im Gitter durch Neutraldotierung verkleinert, derart, daß eine Erhöhung der Trägerbeweglichkeit in dem Material ohne wesentliche Änderung der Zahl der Ladungsträger erreicht ist. Das Material zur Neutraldotierung kann aus Chalcogeniden ein- oder zweiwertiger Metalle bestehen. Der thermoelektrische Werkstoff kann aus mindestens einem Element der Lanthanoder Aktiniumreihe der seltenen Erden, aus mindestens einem Element der Gruppe Schwefel, Selen oder Tellur und aus Neutraldotierungsstoff bestehen. Dem thermoelektrischen Werkstoff kann eine Menge Thermoelektrischer WerkstoffThe invention relates to a thermoelectric material with a thorium phosphide structure. According to the Invention, the number of vacancies in the lattice is reduced by neutral doping, so that an increase the carrier mobility in the material without significantly changing the number of charge carriers is reached. The material for neutral doping can be monovalent or divalent from chalcogenides Metals exist. The thermoelectric material can consist of at least one element of lanthanum or Rare earth actinium series, composed of at least one element of the sulfur group, selenium or tellurium and consist of neutral dopant. The thermoelectric material can do a lot Thermoelectric material

Anmelder:Applicant:

Westinghouse Electric Corporation,Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:Representative:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Dr. jur. G. Hoepffner, lawyer,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
Forrest L. Carter, Monroeville, Pa.,
Robert C. Miller, Pittsburgh, Pa.,
Robert R. Heikes, Export, Pa. (V. St. A.)
Named as inventor:
Forrest L. Carter, Monroeville, Pa.,
Robert C. Miller, Pittsburgh, Pa.,
Robert R. Heikes, Export, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

V. St. v. Amerika vom 24. März 1961 (98 020) - -V. St. v. America March 24, 1961 (98 020) - -

Dotierungsmaterial im Betrag zwischen 0,001 und ( i x — -■>-) zugesetzt sein, wobei χ zwischen 1,33 und einem Maximum bei 1,5 laufen kann, wenn das Metall des Ghalcogeniden einwertig ist; ihm kann aber auch eine Menge Dotiermaterial im Betrag zwischen 0,001 und (3 χ —4) zugesetzt sein, wobei χ zwischen 1,33 und 1,5 laufen kann, wenn das Metall des Chalcogeniden zweiwertig ist. Der thermoelektrische Werkstoff kann gemäß der FormelDoping material in the amount between 0.001 and (ix - - ■> -) can be added, where χ can run between 1.33 and a maximum at 1.5 if the metal of the halide is monovalent; however, an amount of doping material in the amount between 0.001 and (3 χ -4) can also be added to it, with χ being able to run between 1.33 and 1.5 if the metal of the chalcogenide is divalent. The thermoelectric material can according to the formula

■A Af(O1OOl bis 2 y)Zx 5(0,001 bis y) ■ A Af (O 1 OOl to 2 y) Z x 5 (0.001 to y)

zusammengesetzt sein, wobei A wenigstens ein Element der Lanthan- oder Aktiniumreihe der Elemente der seltenen Erden, M, wenigstens eines der einwertigen Metalle Lithium, Natrium, Kalium, Kupfer, Silber oder Gold, Z wenigstens ein Element der Chalcogene Schwefel, Selen oder Tellur, B wenigstens ein Element der Chalcogene Schwefel, Selen oder Tellur ist und χ von 1,33 bis zu einem Maximum von 1,5 laufen kann und y nach der Formelbe composed, where A at least one element of the lanthanum or actinium series of the rare earth elements, M, at least one of the monovalent metals lithium, sodium, potassium, copper, silver or gold, Z at least one element of the chalcogens sulfur, selenium or tellurium, B is at least one element of the chalcogens sulfur, selenium or tellurium and χ can run from 1.33 to a maximum of 1.5 and y according to the formula

3 43 4

bestimmt ist. Der thermoelektrische Werkstoff kann aber auch gemäß der Formelis determined. The thermoelectric material can, however, also according to the formula

A Λ^ο,οοΐ bis y) 2^.8( A Λ ^ ο, οοΐ to y) 2 ^ .8 (

bis y) 2^.8(0,001 bis y) to y) 2 ^ .8 (0.001 to y)

zusammengesetzt sein, wobei A wenigstens ein Elementbe composed, where A is at least one element

409 589/118409 589/118

der Lanthan- oder Aktiniumreihe der Elemente der seltenen Erden, JV" wenigstens eines der zweiwertigen Metalle Barium, Strontium, Magnesium, Indium, Kadmium oder Zink, Z wenigstens ein Element der Chalogene Schwefel, Selen oder Tellur, B wenigstens ein Element der Chalcogene Schwefel, Selen oder Tellur ist und χ von 1,33 bis zu einem Maximum von 1,5 laufen kann und y nach der Formelthe lanthanum or actinium series of the rare earth elements, JV "at least one of the divalent metals barium, strontium, magnesium, indium, cadmium or zinc, Z at least one element of the chalogens sulfur, selenium or tellurium, B at least one element of the chalcogens sulfur, Selenium or tellurium and χ can run from 1.33 to a maximum of 1.5 and y according to the formula

y = 3.V - 4 10' y = 3.V - 4 10 '

bestimmt ist.is determined.

Der thermoelektrische Werkstoff kann gemäß der FormelThe thermoelectric material can according to the formula

Werkstoffes, insbesondere eines solchen mit Th3P4-Struktur; dabei wird die Zahl der Leerstellen in dem atomaren Gitteraufbau verkleinert durch Neutraldotierung, wobei die Beweglichkeit der Ladungsträger anwächst, ohne im wesentlichen die Zahl der Ladungsträger im Material zu verändern.Material, in particular one with a Th 3 P 4 structure; The number of vacancies in the atomic lattice structure is reduced by neutral doping, the mobility of the charge carriers increasing without essentially changing the number of charge carriers in the material.

Gemäß einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung wird ein thermoelektrischer Werkstoff mit der allgemeinen FormelAccording to a further object of the present invention, a thermoelectric material is provided with the general formula

undand

AM211ZxByAM 211 Z x By

ANyZxByANyZ x By

Q, 001 bisQ, 001 to

1515th

zusammengesetzt sein, wobei χ von 1,33 bis 1,5 laufen kann und y aus der Formelbe composed, where χ can run from 1.33 to 1.5 and y from the formula

1 +y = 31 + y = 3

~x + y ~ x + y 44th

bestimmt ist. Der thermoelektrische Werkstoff kann auch gemäß der Formelis determined. The thermoelectric material can also according to the formula

CeS1)39(SrS)oiO71 CeS 1) 39 (SrS) o iO71

zusammengesetzt sein. Der thermoelektrische Werkstoff kann auch gemäß der Formelbe composed. The thermoelectric material can also according to the formula

CeS1 3g (SrS)0,uCeS 1 3g (SrS) 0 , u

zusammengesetzt sein. Der thermoelektrische Werkstoff kann auch gemäß der Formelbe composed. The thermoelectric material can also according to the formula

CeS142(SrS)0,09 CeS 142 (SrS) 0, 09

zusammengesetzt sein. Auch kann der thermoelektrische Werkstoff gemäß der Formelbe composed. The thermoelectric material can also be according to the formula

2525th

),18), 18

zusammengesetzt sein.be composed.

In der Beschreibung der Erfindung bedeutet der Ausdruck »Lanthanide« Zusammenstellungen (Legierungen) der Lanthanserie der Elemente der seltenen Erden. Die Lanthanserie umfaßt Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutezium (Cassiopeium).In the description of the invention, the term "lanthanides" means combinations (alloys) the lanthanum series of rare earth elements. The lanthanum series includes lanthanum, cerium, Praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutezium (Cassiopeium).

Der Ausdruck »Aktinide« bedeutet Zusammenstellungen der Aktiniumserie der Elemente der seltenen Erden. Die Aktiniumserie umfaßt Thorium, Prataktinium. Uran, Neptunium, Plutonium, Americium, Curium, Berkelium, Californium, Einsteinium, Fermium und Mendelevium. Die letzten neuen Elemente sind hochradioaktiv und werden nur unter bestimmten Vorsichtsmaßnahmen verwendet.The term "actinides" means combinations of the actinium series of the elements of the rare ones Earth. The actinium series includes thorium, pratactinium. Uranium, Neptunium, Plutonium, Americium, Curium, Berkelium, Californium, Einsteinium, Fermium and mendelevium. The last new elements are highly radioactive and are only used under certain conditions Precautions used.

Neutraldotierung ist die Hinzufügung eines Elementes oder einer Zusammenstellung (Legierung) zu einem thermoelektrischen Werkstoff, um die Zahl der Leerstellen in dem Kristallgitteraufbau zu verkleinern, ohne die Zahl der Ladungsträger zu verändern.Neutral doping is the addition of an element or composition (alloy) to one thermoelectric material to reduce the number of voids in the crystal lattice structure, without changing the number of load carriers.

Einwertige Chalcogenide, wie sie gemäß den Lehren dieser Erfindung brauchbar sind, sind Oxyde, Sulfide, Selenide und Telluride einwertiger Metalle.Monovalent chalcogenides, as they are useful according to the teachings of this invention, are oxides, sulfides, Selenides and tellurides of monovalent metals.

Zweiwertige Chalcogenide gemäß den Lehren dieser Erfindung sind Oxyde, Sulfide, Selenide und Telluride zweiwertiger Metalle.Divalent chalcogenides according to the teachings of this invention are oxides, sulfides, selenides and tellurides divalent metals.

Wenn das Chalcogenid ein Metalloxyd ist, besteht in einigen Fällen die Möglichkeit einer Phasentransformation des thermoelektrischen Werkstoffes.When the chalcogenide is a metal oxide, there is a possibility of phase transformation in some cases of the thermoelectric material.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Effektivität eines thermoelektrischen geschaffen.
Dabei ist
The present invention relates to a method for improving the effectiveness of a thermoelectric created.
It is

A wenigstens ein Element der seltenen Erden aus den Gruppen der Lanthan- und Aktiniumserie, M mindestens ein einwertiges Metall, N mindestens ein zweiwertiges Metall, Z mindestens ein Element der Chalcogene A at least one element of the rare earths from the groups of the lanthanum and actinium series, M at least one monovalent metal, N at least one divalent metal, Z at least one element of the chalcogens

Schwefel, Selen und Tellur, B mindestens ein Element der Chalcogene Schwefel, Selen und Tellur,Sulfur, selenium and tellurium, B at least one element of the chalcogens sulfur, selenium and tellurium,

.v ändert sich von 1,33 bis zu einem Maximum 1,5, und.v changes from 1.33 to a maximum 1.5, and

y ändert sich von 0,001 bis zu einem Wert ymax, wobei ymax in der ersten Formel 5 χ — und in der zweiten Formel 3 .v — 4 beträgt. y varies from 0.001 up to a value y ma x, where ymax χ in the first formula 5 - and .v in the second formula 3 - is the fourth

Die Lehren der Erfindung sind im besonderen auf die Herstellung und Dotierung thermoelektrischer Werkstoffe aus Sulfiden, Seleniden, Telluriden und Phosphiden der Lanthan- und Aktiniumreihe der Elemente der seltenen Erden anwendbar.The teachings of the invention are particularly directed to the manufacture and doping of thermoelectrics Materials made from sulfides, selenides, tellurides and phosphides of the lanthanum and actinium series of Rare earth elements applicable.

Brauchbare Stoffe zum Neutraldotieren sind einwertige oder zweiwertige Metall- Chalcogenide. Zu diesen gehören BaS, SrS, PbS, SnS, MgS, CaS, ZnS, CdS, Ag2S, Cu2S, K2S, NaS und LiS. Das ist jedoch keine vollständige Aufzählung. Es können auch die entsprechenden Selenide und Telluride der Metalle genommen werden.Substances that can be used for neutral doping are monovalent or divalent metal chalcogenides. These include BaS, SrS, PbS, SnS, MgS, CaS, ZnS, CdS, Ag 2 S, Cu 2 S, K 2 S, NaS and LiS. However, this is not an exhaustive list. The corresponding selenides and tellurides of the metals can also be used.

Im besonderen ist der spezifische Widerstand ρ eines thermoelektrischen Werkstoffes eine Funktion der Elektronenkonzentration «, einer Konstante, der Elektronenladung e, und der Elektronenbeweglichkeit μ. Die Beziehung zwischen ihnen lautet:In particular, the specific resistance ρ of a thermoelectric material is a function of the electron concentration «, a constant, the electron charge e, and the electron mobility μ. The relationship between them is:

_ 1_ 1

ρ ~ e-n-μ ' ρ ~ en-μ '

Aus dieser Beziehung ist leicht ersichtlich, daß sich, wenn einer oder mehrere der Werte η oder μ anwachsen, ohne die anderen in umgekehrter Richtung zu beeinflussen, der relative Widerstand verkleinern wird.From this relationship it can easily be seen that if one or more of the values η or μ increases without affecting the others in the opposite direction, the relative resistance will decrease.

Dabei ist e eine Konstante. Es wurde nun gefunden, daß es durch die Neutraldotierung von Sulfiden, Seleniden und Telluriden der Elemente der seltenen Erden der Lanthan- und Aktiniumreihe mit ein- und zweiwertigen Chalcogeniden möglich ist, die Elektronenbeweglichkeit μ des Stoffes zu erhöhen, ohne die Elektronenkonzentration η in umgekehrter Richtung zu beeinflussen. Dadurch wird der spezifische elektrische Widerstand ρ des Stoffes erniedrigt. Die Neutraldotierung vergrößert die Elektronenbeweglichkeit μ durch Verringerung der Zahl der Leerstellen in dem Gitteraufbau des Stoffes.Where e is a constant. It has now been found that by neutral doping of sulfides, selenides and tellurides of the rare earth elements of the lanthanum and actinium series with monovalent and divalent chalcogenides, it is possible to increase the electron mobility μ of the substance without the electron concentration η in the opposite direction to influence. This lowers the specific electrical resistance ρ of the substance. The neutral doping increases the electron mobility μ by reducing the number of vacancies in the lattice structure of the substance.

Zusätzlich zu der beträchtlichen Reduktion des Wertes des spezifischen elektrischen Widerstandes ρ In addition to the considerable reduction in the value of the electrical resistivity ρ

des thermoelektrischen Werkstoffes können noch andere Verbesserungen bei dem thermoelektrischen Werkstoff als Folge der Neutraldotienmg erwartet werden.The thermoelectric material can make other improvements to the thermoelectric material Material can be expected as a result of the neutral doping.

Die Beseitigung der Leerstellen in dem Gitter verkleinert die freie Energie, da örtliche Spannungen verkleinert werden, vorausgesetzt natürlich, daß das Ladungsgleichgewicht nicht in Unordnung gebracht ist und daß die Leerstellen nicht von Atomen ausgefüllt sind, die einen größeren Ionenradius haben als die, die leicht untergebracht werden können. Unter diesen Bedingungen müßte das neutraldotierte thermoelektrische Material in einem weiteren Temperaturbereich stabiler sein als nichtdotiertes Material.The elimination of the vacancies in the grid reduces the free energy because of local stresses provided, of course, that the charge balance is not disordered and that the vacancies are not filled by atoms that have a larger ionic radius than those that can be easily accommodated. Under these conditions the neutrally doped thermoelectric Material be more stable in a wider temperature range than non-doped material.

Die Beseitigung von Leerstellen im Atomgitter durch Neutraldotierung ergibt auch eine Verkleinerung der Diffusionsrate in dem so dotierten Material, und zwar sowohl für Anionen und Kationen als auch für neutrale Gase und andere Verunreinigungen. Daher müßte auch die Lebensdauer thermoelektrischer Werkstoffe, die mit Neutraldotierung behandelt sind, anwachsen.The elimination of vacancies in the atomic lattice by neutral doping also results in a reduction in size the diffusion rate in the material doped in this way, both for anions and cations as well as for neutral gases and other contaminants. Therefore, the lifespan should also be more thermoelectric Materials treated with neutral doping grow.

Die Beseitigung der Leerstellen ergibt ferner eine Erhöhung der Anzahl brauchbarer thermoelektrischer Werkstoffe. a5 The elimination of the voids also results in an increase in the number of useful thermoelectric materials. a 5

In gewissen anderen Fällen kann die Neutraldotierung die thermoelektrischen Eigenschaften von thermoelektrischen Werkstoffen verbessern dadurch, daß das Gitter des Stoffes zusammengezogen oder aufgeweitet wird; in einigen Fällen, z. B. wenn Cerselenid mit Magnesiumsulfid dotiert wird, kann sich die Gitterwärmeleitfähigkeit des Stoffes verringern.In certain other cases, the neutral doping can reduce the thermoelectric properties of Improve thermoelectric materials in that the grid of the substance is contracted or is widened; in some cases, e.g. B. when cerselenide is doped with magnesium sulfide, can reduce the lattice thermal conductivity of the fabric.

Die neutraldotierten thermoelektrischen Werkstoffe, die gemäß den Lehren dieser Erfindung hergestellt werden, besitzen eine von zwei allgemeinen Formeln, je nachdem ob der Stoff für die Neutraldotierung ein Chalcogenid eines ein- oder zweiwertigen Metalls ist. Wenn ein Chalcogenid eines einwertigen Metalls verwendet wird, kann die allgemeine Formel wie folgt angegeben werden:The neutral doped thermoelectric materials made according to the teachings of this invention have one of two general formulas, depending on whether the substance is a neutral doping agent Chalcogenide of a monovalent or divalent metal is. When a chalcogenide of a monovalent metal is used, the general formula can be as follows be given:

■A M(iVmax) Zx B(ymax).■ AM ( iVmax ) Z x B (y max ).

Wenn ein Chalcogenid eines zweiwertigen Metalls verwendet wird, kann die allgemeine Formel wie folgt angeschrieben werden:When a divalent metal chalcogenide is used, the general formula can be as follows be written to:

Aus den oben beschriebenen allgemeinen Formeln ist ersichtlich, daß y die Menge des verwendeten Neutraldotierungsmittels darstellt. Das kann dadurch gut erläutert werden, wenn man die chemische Reaktion zur Herstellung von Cersulfid betrachtet, das mit zweiwertigem Strontiumsulfid neutraldotiert ist.From the general formulas described above it can be seen that y represents the amount of neutral dopant used. This can be explained well if one considers the chemical reaction for the production of cerium sulfide, which is neutrally doped with divalent strontium sulfide.

+ y + y

Wenn man den Wert von y errechnet, um die Menge an zweiwertigem Neutraldotierstoff zu bestimmen, so erhält man aus der obigen Formel die GleichungWhen calculating the value of y to determine the amount of divalent neutral dopant, the above formula gives the equation

1 +1 +

X + ymax X + ymax

3 4 '3 4 '

wobei -:- das Verhältnis der Kationen zu den Anionenwhere -: - the ratio of the cations to the anions

ist, wenn alle Plätze in dem Gitter des undotierten Materials CeS2 ausgefüllt sind. Für zweiwertige Neutraldotierung wird dann ymax = 3x — 4; dabei ändert sich χ von 1,33 bis zu einem Maximum von 1,5. In gleicher Weise kann ymax, d. h. die Höchstmenge des angewandten Dotiermittels, bestimmt werden durch die Formelis when all places in the grid of the undoped material CeS 2 are filled. For two-valued neutral doping then y ma x = 3x - 4; in doing so, χ changes from 1.33 to a maximum of 1.5. In the same way, y max , ie the maximum amount of the dopant used, can be determined by the formula

4 54 5

A N(ymax) Zx B(Smax) . AN (y max ) Z x B ( Smax ) .

Dabei istIt is

A mindestens ein Element der Lanthan- oder Aktiniumreihe der seltenen Erden; diese Reihen wurden weiter oben definiert, A at least one element of the lanthanum or actinium series of the rare earths; these series were defined above,

M mindestens ein einwertiges Metall aus der Gruppe Silber, Natrium, Kalium, Lithium, Kupfer oder Gold, M at least one monovalent metal from the group silver, sodium, potassium, lithium, copper or gold,

JV mindestens ein zweiwertiges Metall aus der Gruppe Blei, Zinn, Magnesium, Barium, Strontium, Cadmium, Zink, Kalzium oder zweiwertiges Kupfer,JV at least one bivalent metal from the group lead, tin, magnesium, barium, strontium, Cadmium, zinc, calcium or bivalent copper,

Z mindestens ein Element der Chalcogene Schwefel, Selen oder Tellur,Z at least one element of the chalcogens sulfur, selenium or tellurium,

B mindestens ein Element der Chalcogene B at least one element of the chalcogens

Schwefel, Selen oder Tellur, χ läuft von 1,33 bis zu einem Maximum beiSulfur, selenium or tellurium, χ runs from 1.33 to a maximum

1,5 und
y beträgt mindestens 0,001 und kann nach dem weiter unten beschriebenen Verfahren bestimmt werden.
1.5 and
y is at least 0.001 and can be determined using the method described below.

wenn ein einwertiges Neutraldotiermittel verwendet wird.when a monovalent neutral dopant is used.

In vielen Fällen werden die besten oder optimalen thermoelektrischen Eigenschaften erzielt, wenn beim Dotieren thermoelektrischen Materials weniger als der maximale Betrag des Dotiermittels verwendet wird. Es wurden gute Resultate erzielt, wenn CeS1133Ms li5 mit einer Menge von Strontiumsulfid in einem BetragIn many cases, the best or optimal thermoelectric properties are obtained when less than the maximum amount of dopant is used in the doping of thermoelectric material. Good results have been obtained when CeS 1133 Ms li5 with an amount of strontium sulfide in one amount

von etwa -^y max dotiert wurde. Der angegebene Stoff hat ein Thoriumphosphidgitter. Gute Resultate wurden erzielt, wenn der Betrag an Dotiermaterial von 0,001 Mol bis zu dem Maximalwert, wie oben angegeben, variiert wurde.was endowed by about - ^ y max. The specified substance has a thorium phosphide lattice. Good results have been obtained when the amount of doping material was varied from 0.001 mol up to the maximum value given above.

Die folgenden Beispiele erläutern die Lehren dieser Erfindung.The following examples illustrate the teachings of this invention.

Beispiel 1example 1

Eine Menge von 11 g CeSli39 und 0,786 g SrS werden in einer trockenen Argonatmosphäre gemischt. Nach der Mischung wird der Stoff zu einer Pille von etwa 25 mm Durchmesser mit einer Gesamtkraft von etwa 6800 kp verpreßt. Die Pille wird dann in einen Graphittiegel gebracht und in einer Argonatmosphäre 15 Minuten lang bei 13 50° C gesintert.A quantity of 11 g CeS li39 and 0.786 g SrS are mixed in a dry argon atmosphere. After mixing, the substance is pressed into a pill about 25 mm in diameter with a total force of about 6800 kp. The pill is then placed in a graphite crucible and sintered in an argon atmosphere for 15 minutes at 1350 ° C.

Nach dem Sintern läßt man die Pille auf Raumtemperatur abkühlen; sie wird dann in einer Argonatmosphäre zermahlen, so daß das gesamte Material durch ein Sieb mit 150 Maschen (US-Standardsieb) hindurchgeht.After sintering, the pill is allowed to cool to room temperature; it is then placed in an argon atmosphere grind so that all of the material passes through a 150-mesh sieve (US standard sieve) passes through.

Das feingemahlene Material wird dann zu einer Pille von etwa 31 χ 9 χ 9 mm bei einer Gesamtkraft von etwa 6800 kp in einer Argonatmosphäre verpreßt.The finely ground material then becomes a pill approximately 31 9 χ 9 mm for a total force of about 6800 kp pressed in an argon atmosphere.

Die neu geformte Pille wird dann in ein Molybdängefäß eingebracht, das Gefäß mit Argon gefüllt undThe newly formed pill is then placed in a molybdenum vessel, the vessel is filled with argon and

6g abgeschmolzen. Das Gefäß wird langsam auf eine Temperatur zwischen 1400 und 1425° C erhitzt und die Temperatur etwa 15 Minuten aufrechterhalten. Das Gefäß wird dann langsam in einer Stunde auf6g melted. The vessel is slowly heated to a temperature between 1400 and 1425 ° C and maintain the temperature for about 15 minutes. The jar will then slowly open in an hour

900 0C abgekühlt, darauf läßt man bis auf Zimmertemperatur abkühlen.900 0 C cooled, then allowed to cool down to room temperature.

Der Preßling wird dann aus dem Gefäß genommen und in zylindrische Pillen von etwa 8 mm Durchmesser und etwa 25 mm Länge zerschnitten.The compact is then removed from the jar and placed in cylindrical pills about 8 mm in diameter and cut about 25 mm in length.

Jede Pille hat eine Zusammensetzung gemäß der FormelEach pill has a composition according to the formula

CeS1>3e(SrS)0)U.CeS 1> 3e (SrS) 0) U.

Der Werkstoff hat ein Thoriumphosphidgitter (Th3P4).The material has a thorium phosphide lattice (Th 3 P 4 ).

Beispiel 2Example 2

Das Verfahren von Beispiel 1 wird mit 11 g CeSIi39 und 0,507 g SrS wiederholt.The procedure of Example 1 is repeated with 11 g CeS Ii39 and 0.507 g SrS.

Die hiermit hergestellten Pillen 'haben eine Zusammensetzung nach der FormelThe pills produced with this have a composition according to the formula

CeSlj39(SrS)0j07i.CeS lj39 (SrS) 0j07 i.

2020th

Man kann, ohne daß es die Erfindung berührt, undotiertes CeSli39 herstellen.Without affecting the invention, undoped CeS li39 can be produced.

Der spezifische Widerstand ρ und der Seebeck-Koeffizient λ der drei Werkstoffe werden bei 300° K gemessen; die Werte sind in der untenstehenden Tabelle aufgeführt.The specific resistance ρ and the Seebeck coefficient λ of the three materials are at 300 ° K measured; the values are listed in the table below.

Tabelle 1Table 1

3030th

3535

Aus den obigen Werten ist die starke Reduktion des spezifischen elektrischen Widerstandes ρ, der durch die Neutraldotierung hervorgerufen wird, leicht ersichtlich. Das geringe Zurückgehen bei dem Seebeck-Koeffizienten, das sich ebenfalls durch die Neutraldotierung ergibt, ist unbedeutend im Hinblick auf die starke Reduktion des spezifischen elektrischen Widerstandes. From the above values is the strong reduction in the specific electrical resistance ρ, which is caused by the neutral doping is caused, can easily be seen. The slight decrease in the Seebeck coefficient, which also results from the neutral doping is insignificant with regard to the strong reduction of the specific electrical resistance.

B e i s p i el 4EXAMPLE 4

An die Verfahren der Beispiele 1 und 2 schließen sich ähnliche an, bei denen aber das Sintern in einem Graphittiegel ausgeführt wurde statt in einem Molybdängefäß. Es ergeben sich Pillen mit einer Zusammensetzung The methods of Examples 1 and 2 are followed by similar ones, but in which the sintering in one Graphite crucible was made instead of in a molybdenum vessel. The result is pills with a composition

CeS1>42; CeSlf„(SrS)o,oe bzw. CeSlfU(SrS)OflB.CeS 1>42; CeS lf "(SrS) o , oe or CeS lfU (SrS) OflB .

Der spezifische Widerstand ρ und der Seebeck-Koeffizient λ dieser Stoffe werden bei 3500K bestimmt und sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.The specific resistance ρ and the Seebeck coefficient λ of these substances are determined at 350 ° K and are summarized in the following table.

Beispielexample Werkstoffmaterial Spezifischer
elektrischer
Widerstand
(q)
More specific
electrical
resistance
(q)
Seebeck-
Koeffizient
Seebeck
coefficient
1
2
3
1
2
3
CeSi.38(SrS)0,071 CeSi. 38 (SrS) 0, 071 38-10-1
l,8-10-i
0,78- lO-i
38-10-1
l, 8-10-i
0.78-10-i
-50
-50
-50
-50
-50
-50

Tabelle 2Table 2

Werkstoffmaterial Spezifischer
elektrischer
Widerstand
(e)
More specific
electrical
resistance
(e)
Seebeck-
Koeffizient
(«)
Seebeck
coefficient
(«)
CeS1>42
^e^>i.42(SrS)0)09
CeS1>42(SrS)0il8
CeS 1> 42
^ e ^ > i.42 (SrS) 0) 09
CeS 1> 42 (SrS) 0il8
25,5 · IO-3
5,1 · IO-3
5,7 · IO-3
25.5 · IO- 3
5.1 · IO- 3
5.7 · IO- 3
-34
-36
-40
-34
-36
-40

6060

65 Aus diesen Werten ist deutlich zu erkennen, wie groß die Reduktion des spezifischen Widerstandes ρ durch Neutraldotierung ausfällt. Zusätzlich zu der Reduktion des spezifischen Widerstandes zeigt das mit Neutraldotierung hergestellte Material ein leichtes Anwachsen beim Seebeck-Koeffizienten «, was iedoch keinen wesentlichen Beitrag zum Anwachsen der Effektivität Z des Materials ergibt. 65 These values clearly show how great the reduction in the specific resistance ρ is due to neutral doping. In addition to the reduction in the specific resistance, the material produced with neutral doping shows a slight increase in the Seebeck coefficient, which, however, does not make any significant contribution to the increase in the effectiveness Z of the material.

Ebenso überzeugende Ergebnisse wie die, die durch die Tabellen 1 und 2 mitgeteilt wurden, können durch die Neutraldotierung von Sulfiden, Seleniden und Telluriden jedes Elementes der Lanthan- und Aktiniumreihe der seltenen Erden erbracht werden, die die Thoriumphosphid-Kristallstruktur (Th3P4) besitzen, durch Substitution äquimolarer Anteile bei den Beispielen für Cersulfid.Just as convincing results as those reported by Tables 1 and 2 can be achieved by the neutral doping of sulfides, selenides and tellurides of each element of the lanthanum and actinium series of the rare earths, which form the thorium phosphide crystal structure (Th 3 P 4 ) have, by substituting equimolar proportions in the examples for cerium sulfide.

Weiterhin können zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden durch die Neutraldotierung von Sulfiden, Seleniden und/oder Telluriden von gemischten Elementen der seltenen Erden, mit Thoriumphosphidstruktur, wie z. B. Cer-Samarium-Sulfide. So können im Beispiel 1 11,5 g von Ce0/5Sm0i5S1>39 an Stelle von 11 g CeS1>39 verwendet werden. Dabei werden entsprechende Resultate erhalten.Furthermore, satisfactory results can be achieved by the neutral doping of sulfides, selenides and / or tellurides of mixed rare earth elements, with thorium phosphide structure, such as. B. Cerium Samarium Sulphides. In Example 1, 11.5 g of Ce 0/5 Sm 0i5 S 1> 39 can be used instead of 11 g of CeS 1> 39 . Corresponding results are obtained.

Thermoelektrische Werkstoffe, die nach den Lehren dieser Erfindung hergestellt wurden, können als Schenkel in thermoelektrischen Bauelementen und Geräten verwendet werden, beispielsweise in Thermogeneratoren, die nach dem Seebeck-Effekt arbeiten, und in Kühleinrichtungen, die nach dem Peltier-Effekt arbeiten. Die Werkstoffe, die nach den Lehren dieser Erfindung hergestellt werden, können zu Pillen gepreßt und gesindert werden. Sie werden dann mit metallischen Kontakten versehen, mit anderen Thermoelementschenkeln mit dem umgekehrten Leitvermögen verbunden und ergeben so thermoelektrische Bauelemente. Thermoelectric materials made according to the teachings of this invention can be used as Legs are used in thermoelectric components and devices, for example in thermal generators, that work according to the Seebeck effect, and in cooling devices that work according to the Peltier effect work. The materials made according to the teachings of this invention can be used to make pills pressed and reduced. They are then provided with metallic contacts, with other thermocouple legs connected with the reverse conductivity and thus result in thermoelectric components.

Die Werkstoffe gemäß der Erfindung sind im besonderen brauchbar bei thermoelektrischen Geräten für hohe Temperaturen, insbesondere bei solchen über 5500C.The materials according to the invention are particularly useful in thermoelectric devices for high temperatures, especially those above 550 ° C.

Aus der Beschreibung und aus den Beispielen geht hervor, daß sich die Gegenstände dieser Erfindung verwirklichen lassen.From the description and the examples it can be seen that the objects of this invention make it come true.

Claims (11)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Thermoelektrischer Werkstoff mit Thoriumphosphidstruktur, dadurchgekennzeichn e t, daß die Zahl der Leerstellen im Gitter durch Neutraldotierung verkleinert ist, derart, daß eine Erhöhung der Trägerbeweglichkeit in dem Material ohne wesentliche Änderung der Zahl der Ladungsträger erreicht ist.1. Thermoelectric material with thorium phosphide structure, marked thereby e t that the number of vacancies in the lattice is reduced by neutral doping, such that one Increase of the carrier mobility in the material without a significant change in the number of charge carriers is reached. 2. Thermoelektrischer Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material zur Neutraldotierung aus Chalcogeniden ein- oder zweiwertiger Metalle besteht.2. Thermoelectric material according to claim 1, characterized in that the material for neutral doping consists of chalcogenides of monovalent or divalent metals. 3. Thermoelektrischer Werkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus mindestens einem Element der Lanthan- oder Aktiniumreihe der seltenen Erden, aus mindestens einem Element der Chalcogene Schwefel, Selen oder Tellur und aus einem Neutraldotierungsstoff besteht.3. Thermoelectric material according to claim 1, characterized in that it consists of at least one element of the lanthanum or actinium series of the rare earths, made of at least an element of the chalcogens sulfur, selenium or tellurium and a neutral dopant consists. 4. Thermoelektrischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,4. Thermoelectric material according to one of claims 1 to 3, characterized in that daß ihm eine Menge Dotiermaterial im Betragthat it has a lot of doping material in amount /3 4 \
zwischen 0,001 und \-f-x ~-j zugesetzt ist, wobei
/ 3 4 \
between 0.001 and \ -fx ~ -j is added, where
χ zwischen 1,33 und einem Maximum bei 1,5 laufen kann, wenn das Metall des Chalcogeniden einwertig ist, und daß eine Menge Dotiermaterial im Betrag zwischen 0,001 und Qx-A) zugesetzt ist, wobei χ zwischen 1,33 und 1,5 laufen kann, wenn das Metall des Chalcogeniden zweiwertig ist. χ can run between 1.33 and a maximum at 1.5 if the metal of the chalcogenide is monovalent, and that an amount of doping material in the amount between 0.001 and Qx-A) is added, with χ between 1.33 and 1.5 can run if the metal of the chalcogenide is divalent.
5. Thermoelektrischer Werkstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er gemäß der Formel5. Thermoelectric material according to one of the preceding claims, characterized in that that he is according to the formula ■"■ M(0,001 bis 2!/) *^x "(0,001 bis y) ■ "■ M (0.001 to 2! /) * ^ X " (0.001 to y) 1515th zusammengesetzt ist, wobei A wenigstens ein Element der Lanthan- oder Aktiniumreihe der Elemente der seltenen Erden, M wenigstens eines der einwertigen Metalle Lithium, Natrium, Kalium, Kupfer, Silber oder Gold, Z wenigstens eines der ao Elemente Schwefel, Selen oder Tellur, B wenigstens eines der Elemente Schwefel, Selen oder Tellur ist.is composed, where A at least one element of the lanthanum or actinium series of the rare earth elements, M at least one of the monovalent metals lithium, sodium, potassium, copper, silver or gold, Z at least one of the ao elements sulfur, selenium or tellurium, B at least one of the elements sulfur, selenium or tellurium is. 6. Thermoelektrischer Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß6. Thermoelectric material according to one of claims 1 to 4, characterized in that er gemäß der Formel ashe according to the formula as A -^(ο,οοι bis y) Ζχ -ßfo.ooi bis y) A - ^ (ο, οοι to y) Ζχ -ßfo.ooi to y) zusammengesetzt ist, wobei A wenigstens ein Element der Lanthan- oder Aktiniumreihe der Elemente der seltenen Erden, N wenigstens eines der zweiwertigen Metalle Barium, Strontium, Magnesium, Indium, Kadmium oder Zink, Z wenigstens eines der Elemente Schwefel, Selen oder Tellur, B wenigstens eines der Elemente aus der Gruppe Schwefel, Selen oder Tellur ist.is composed, where A at least one element of the lanthanum or actinium series of the rare earth elements, N at least one of the divalent metals barium, strontium, magnesium, indium, cadmium or zinc, Z at least one of the elements sulfur, selenium or tellurium, B at least is one of the elements from the group consisting of sulfur, selenium or tellurium. 7. Thermoelektrischer Werkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er gemäß der Formel7. Thermoelectric material according to claim 6, characterized in that it according to the formula zusammengesetzt ist, wobei χ von 1,33 bis 1,5 laufen kann und y aus der Formelis composed, where χ can run from 1.33 to 1.5 and y from the formula l+y = 3
x H-J 4
l + y = 3
x HY 4
bestimmt ist.is determined.
8. Thermoelektrischer Werkstoff nach Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß er gemäß der Formel8. Thermoelectric material according to claim ?, characterized in that it according to the formula CeSll39(SrS)0<071 CeS ll39 (SrS) 0 <071 zusammengesetzt ist.is composed. 9. Thermoelektrischer Werkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er gemäß der Formel9. Thermoelectric material according to claim 7, characterized in that it according to the formula CeSlj39(SrS)0ill CeS lj39 (SrS) 0ill zusammengesetzt ist.is composed. 10. Thermoelektrischer Werkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß er gemäß der Formel10. Thermoelectric material according to claim 7, characterized in that it according to the formula CeSlf42(SrS)0,09 CeS lf42 (SrS) 0, 09 zusammengesetzt ist.is composed. 11. Thermoelektrischer Werkstoff nach Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß er gemäß der Formel11. Thermoelectric material according to claim ?, characterized in that it according to the formula CeS1142(SrS)0118 CeS 1142 (SrS) 0118 zusammengesetzt ist.is composed. 409 589/118 5.64 © Bundesdruckerei Berlin409 589/118 5.64 © Bundesdruckerei Berlin
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