Кытин Владимир Геннадьевич
«Термоэлектрические и термомагнитные эффекты и их применение»
Описание курса:
Курс относится к физике твердого тела и направлен на углублённое изучение термоэлектрических и термомагнитных эффектов в твердых телах и их применения в термогенераторах, системах охлаждения, для изучения процессов переноса заряда и определения характеристик носителей заряда в твёрдых телах. Термоэлектрические генераторы и системы охлаждения не содержат движущихся частей, что делает их привлекательными для практических применений. В связи с этим разработка и исследование термоэлектрических материалов активное ведутся в настоящее время. Этой теме посвящено значительное количество публикаций в ведущих научных журналах. Разрабатываются новые методы увеличения термоэлектрической эффективности, основанные, например, на эффекте размерного квантования, уменьшения теплопроводности за счёт эффективного рассеяния фононов в новых соединениях и других идеях. Изучение термоэлектрических и термомагнитных эффектов даёт возможность определять характеристики носителей заряда, механизмы переноса заряда в полупроводниках и металлах. Целью курса является овладение слушателями основами теории термоэлектрических и термомагнитных эффектов, методами расчёта характеристик термоэлектрических преобразователей, методами определения характеристик носителей заряда и механизмов переноса заряда на основе экспериментальных данных по термоэлектрическим и термомагнитным эффектам. Для этого в рамках курса качественно описываются основные термоэлектрические и термомагнитные эффекты, вводится определение коэффициентов, количественно описывающих эти эффекты, излагаются основы термодинамического описания термоэлектрических и термомагнитных эффектов, излагаются методы и подходы теоретического описания термоэлектрических и термомагнитных эффектов на основе кинетических уравнений, свойства широко применяемых и перспективных термоэлектрических материалов, а также конструкция и особенности применения термоэлектрических модулей. Предлагаемый курс предназначен как для исследователей, специализирующихся в области разработки и исследования термоэлектрических материалов, так для слушателей, изучающих перенос заряда и сопутствующие эффекты в твёрдых телах. Предлагаемый курс даёт возможность углублённо изучить методы и подходы количественного анализа переноса заряда и энергии в полупроводниках и металлах и использовать полученные знания для разработки и исследования новых полупроводниковых материалов для различных применений.
План курса:
Тема 1. Качественное и термодинамическое описание термоэлектрических и термомагнитных эффектов.
Занятие 1. Основные термоэлектрические и термомагтнитные явления. Термоэлектрические явления: эффект Зеебека, эффект Пельтье, эффект Томсона. Термомагнитые явления: эффект Нернста-Эттингсгаузена, эффект Риги-Ледюка, эффект Эттингсгаузена. Теплопроводность полупроводников.
Занятие 2. Основы термодинамического описания термоэлектрических эффектов. Соотношение между коэффициентами Зеебека, Пельтье и Томсона. Эффективность одноэлементного термогенератора и теплового насоса. Безразмерная термоэлектрическая эффективность термоэлектрического материала.
Тема 2. Методы и подходы количественного описания и анализа термоэлектрических и термомагнитных эффектов.
Занятие 3. Перенос заряда в кристаллических полупроводниках. Квазиклассическое приближение для описания переноса заряда. Одночастичная функция распределения. Выражение для плотности электрического тока, электропроводности и коэффициента Зеебека. Кинетическое уравнение Больцмана.
Занятие 4. Рассеяние носителей заряда на акустических и оптических фононах. Приближение потенциала деформации. Рассеяние, обусловленное пьезоэлектрическим эффектом. Рассеяние на границах кристаллитов. Рассеяние на заряженных и нейтральных точечных дефектах.
Занятие 7. Решение кинетического уравнения в полупроводниках с изотропной энергетической зоной в приближении времени релаксации в нулевом магнитном поле. Вычисление коэффициентов Зеебека, электропроводности и электронной теплопроводности в полупроводниках с изотропной энергетической зоной. Приближение невырожденной статистики. Приближение вырожденной статистики. Формула Мотта.
Занятие 8. Решение кинетического уравнения в полупроводниках с изотропной энергетической зоной в в ненулевом магнитном поле. Вычисление коэффициентов Нернста-Эттингсгаузена, Риги-Ледюка, Эттингсгаузена, Зеебека, электропроводности и электронной теплопроводности.
Занятие 9. Термоэлектрические и термомагнитные явления в полупроводниках с анизотропной энергетической зоной и с несколькими типами носителей заряда. Методы и подходы к вычислению кинетических коэффициентов.
Занятие 10. Прыжковый перенос заряда. Локализованные состояния. Туннелирование. Кинетическое уравнение баланса для прыжковой проводимости. Сетка Миллера-Абрахамса.
Занятие 11. Вычисление коэффициента Зеебека и электропроводности при прыжковом переносе заряда с использованием теории протекания. Приближение транспортной энергии. Приближение слабо изменяющейся плотности локализованных состояний для прыжкового переноса заряда.
Занятие 12. Решёточная теплопроводность кристаллических полупроводников. Кинетическое уравнение для фононов. Рассеяние фононов на фононах. Процессы переброса. Рассеяние фононов на дефектах кристаллической решётки.
Тема 3. Термоэлектрические материалы и модули.
Занятие 13. Материалы для термоэлектрических модулей. Теллуриды висмута и сурьмы и термоэлектрические материалы на их основе. Сплавы висмут-сурьма. Теллуриды олова и свинца и материалы на их основе.
Занятие 14. Перспективные термоэлектрические материалы с низкой теплопроводностью. Клатраты. Скутерутиды. Композиты.
Занятие 15. Использование низкоразмерных эффектов для повышения термоэлектрической эффективности. Сверхрешётки. Квазидвумерные и квазиодномерные полупроводники.
Занятие 16. Термоэлектрические модули. Элементы Пельтье. Характеристики и оптимальные режимы работы. Применение термоэлектрических модулей.
