Исследование датчика градиента температуры на основе углеродных нанотрубок

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _____________________________________2012, том 55, №8___________________________________

ФИЗИКА

УДК 539.21:537.31

Х.С.Каримов, академик АН Республики Таджикистан Х.М.Ахмедов, М.Абид*, М.Мехран Башир*, М.Али*, У.Шафик *

ИССЛЕДОВАНИЕ ДАТЧИКА ГРАДИЕНТА ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ

УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Центр исследования и использования возобновляемых источников энергии при Физикотехническом институте им. С.У. Умарова АН Республики Таджикистан,

Институт технологии и прикладных наук им. Гулам Исхак Хана, Пакистан, Университет Ватерлоо, Онтарио, Канада

В работе описано изготовление и исследование тонкоплёночного датчика градиента температуры на основе композита углеродных нанотрубок (УНТ) и силикатного связующего. Были измерены напряжения, токи и рассчитаны коэффициенты Зеебека датчика в зависимости от градиента температуры. Показано, что напряжение холостого хода и ток короткого замыкания датчика квазилинейно зависят от градиента температуры.

Ключевые слова: датчик - градиент температуры - углеродные нанотрубки - напряжение - ток -коэффициент Зеебека.

Известно, что полупроводниковые термоэлектрические элементы, основанные на эффекте Зеебека, используются для преобразования тепловой энергии в электрическую, а также для охлаждения в термоэлектрических холодильниках [1].

Термоэлектрическая эффективность (2) определяется следующим выражением [2]:

2 = а2&1 ,

где а - коэффициент Зеебека, с - электропроводность и кобщ. = кэл + кфон - общая теплопроводность, равная сумме электронной и фононной составляющей теплопроводности.

Повышение эффективности термоэлектрических генераторов непосредственно, в первую очередь, связано с уменьшением фононной составляющей теплопроводности (кфон). В этом направлении интенсивно исследуются тройные и четверные слоистые халькогениды со сложными кристаллическими решетками. В последнее время на плёночных термоэлектрических элементах толщиной 11 мкм на основе п-81/810е-р-В4С/В9С, осаждённых на кремниевую подложку толщиной 5 мкм, была получена высокая эффективность преобразования, равная 15% [3]. Вместе с тем, термоэлектрический эффект используется не только для преобразования энергии, но и в измерительной технике, в частности для измерения градиента температуры, который в свою очередь используется, например, для определения концентрации газов (СО, СН4 и паров С2Н5ОН) [4] с помощью термоэлектрических элементов

Адрес для корреспонденции: Ахмедов Хаким Мунаваррович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул.Айни, 299/1, Физико-технический институт АН РТ. E-mail: khakim48@mail.ru

на основе окиси олова и окиси индия. В [5] показано, что измерением градиента температуры термоэлектрическими элементами на основе BІ2Te3-Sb2Te3 (р-типа) и BІ2Te3-BІ2Se3 (n-типа), имеющих высокую добротность (2Т), были определены скорости потока газов.

В последние годы эффект Зеебека, датчики и генераторы на его основе исследуются не только на основе неорганических, но и органических полупроводниковых материалов. В частности, в [6] были исследованы свойства органических тонкоплёночных термоэлектрических элементов, представляющих собой полупроводниковые двухслойные структуры: ^0 и Cs2CO3 использовались для элементов п-типа, пентацен и F4-TCNQ (тетрацианхинондиметан) соответственно для элементов р-типа. Установлено, что коэффициент Зеебека был равен 0.39 и 0.19 мВ/К соответственно для элементов p-типа и п-тиш. Использование двухслойных структур позволило улучшить электропроводность и эффективность термоэлектрического элемента.

При исследовании термоэлектрических свойств наноматериалов обнаружено, что у них коэффициент Зеебека и добротность термоэлектрических элементов, как правило, выше, чем у традиционных термоэлектрических материалов [7]: например, максимальная добротность нано-BiSbTe и BiSbTe примерно равны 1.5 и 1.0.

Теоретические исследования показали, что добротность термоэлектрических элементов на основе углеродных нанотрубок (УНТ) может быть выше 2, тогда как экспериментальные результаты показывают, что добротность лежит в интервале 10"3-10"2 [8]. Это значение добротности может быть в несколько раз (до 0.4) повышено путём плазменной обработки УНТ в аргоне, вследствие повышения коэффициента Зеебека и снижения коэффициента теплопроводности материала. Тем не менее, добротность является низкой при использования УНТ для преобразования тепловой энергии в электрическую [8]. Вследствие этого представляется целесообразным исследование возможности использования УНТ в термоэлектрических элементах для измерения градиента температуры ввиду сравнительной дешевизны и доступности УНТ. В данной работе приведены результаты исследования датчика градиента температуры на основе углеродных нанотрубок.

Датчик градиента температуры изготовлялся осаждением на стеклянную подложку тонкого слоя композита УНТ (50 вес.%) с силикатным связующим. Длина, ширина и толщина плёнки композита составляли 45 мм; 10 мм и 100 цм. Электроды (в данном случае термопары) для измерения токов и напряжений присоединялись к плёнке с помощью серебряной пасты. Температура также контролировалась термопарами. На рис.1 приведена схематическая конструкция датчика градиента температуры (АТ).

Рис.1. Схематическая конструкция датчика градиента температуры на основе углеродных нанотрубок: стеклянная подложка (1), плёнка композита углеродных нанотрубок (2), нагреватель (3), термопары (4 и 5).

На рис.2 приведены вольт-амперные характеристики датчика при различных градиентах температуры. Как видно из графиков, при возрастании градиента температуры напряжение холостого хода и ток короткого замыкания возрастают. При этом зависимости напряжения холостого хода и тока короткого замыкания от градиента температуры носят квазилинейный характер (рис.3). Это говорит о потенциальной возможности использования данного датчика для измерения градиента температуры.

Рис.2. Вольт-амперные характеристики датчика при различных градиентах температуры (ДТ).

На рис.4 приведена зависимость коэффициента Зеебека от градиента температуры. Как видно из графика, в области сравнительно низких температур а резко возрастает с градиентом температуры до значения 200 мкВ/К, а затем остается примерно постоянным (230 мкВ/К). Измерения показали, что основными носителями тока в композите являются «дырки».

5

4

3

Так как исследованный нами материал, по существу, является композитом УНТ и силикатного связующего, следовало ожидать некоторое различие его термоэлектрических свойств от свойств УНТ [8], что и наблюдалось в величине коэффициента Зеебека, рассчитанного нами на основе экспериментальных данных.

Рис.3. Зависимости напряжения холостого хода и тока короткого замыкания датчика от градиента температуры.

Рис. 4. Зависимость коэффициента Зеебека от градиента температуры.

Ранее было обнаружено, что ограничение в размерности частиц, на примере наноматериалов, приводит к повышению эффективности термоэлектрических элементов, изготовленных на их основе, по сравнению с обычными материалами того же состава [7]. Однако в случае собственных, недопи-рованных наноматериалов термоэлектрический эффект сравнительно низкий в силу взаимокомпен-сирующего вклада электронов и дырок. Вследствие этого очевидно, что повышение таких термоэлектрических параметров, как добротность и эффективность, а также практическое использование наноматериалов будет связано с возможностью их допирования разными примесями (р-типа и п-типа).

Как известно [9], УНТ, с точки зрения электронных свойств, проявляют свойства металлов или полупроводников с небольшой шириной запрещённой зоны, в зависимости от ориентации решётки графена по отношению к оси углеродной нанотрубки.

Зависимость коэффициента Зеебека (а) от температуры на исследованиях нами образцах показала, что а возрастает с температурой от 30 до 225 мкВ/К в интервале 10...65°С. Эта зависимость аналогична температурной зависимости коэффициента Зеебека в металлах или вырожденных полупроводниках [10]:

а =

где Т - температура, DOS(EF) - плотность состояний на уровне Ферми (EF). Теоретически в металлических нанотрубках производная d(DOS(EF))/dEF считается равной нулю [10]. Допирование нанотрубок должно повысить величину коэффициента Зеебека. По-видимому, исследованные нами УНТ представляют собой смесь металлических и полупроводниковых фаз. В пользу этого говорит и зависимость сопротивления элементов от температуры: нами было установлено, что при повышении температуры от 29 до 72°С сопротивление элемента уменьшилось от 662 до 586 Q, то есть температурный коэффициент сопротивления (ТКС) равен 0.27 %/°С.

Для повышения добротности и эффективности термоэлектрического элемента необходимо изменить несколько параметров: повысить электропроводность и коэффициент Зеебека, но при этом понизить коэффициент теплопроводности материала, что на практике не всегда легко осуществить. Что касается датчиков градиента температуры, то главным параметром является коэффициент Зеебе-ка, повышение которого соответственно увеличивает чувствительность прибора. Вследствие этого в качестве датчиков градиента температуры, наряду с неорганическими полупроводниками, могут использоваться и органические полупроводники, в которых коэффициент Зеебека достигает 1000 мкВ/К, например квази- одномерные кристаллы комплексов тетрацианхинондиметана [11]. В то же время, для их практического использования необходимо выращивать кристаллы достаточно больших размеров, что не всегда осуществимо. Поэтому плёночные термоэлектрические элементы на основе УНТ имеют несомненное преимущество, обусловленное простотой технологии изготовления и приемлемыми параметрами, которые в последние годы улучшаются [7].

Таким образом, в данной работе представлены результаты исследования датчика градиента температуры на основе углеродных нанотрубок. Показано, что напряжение холостого хода и ток короткого замыкания датчика квазилинейно зависят от градиента температуры.

Поступило 14.07.2012 г.

ЛИТЕРАТРУ РА

1. Bell L.E. - Science, 2008, v.321, pp.1457-1461.

2. Шелимова Л.Е. и др. - Перспективные материалы, 2008, № 2, с. 28-38.

3. Bass J.C. et. а1 High efficient quantum well thermoelectric for waste heat power generation. Hi-Z Technology, Inc., SanDiego, CA 92126.

4. Papadopoulos C.A., Vlachos D.S., Avaritsiotis J.N. - Sensors and Actuators B, 1996, № 34, pp.524-527.

5. Al khalfioui M., Michez A., Giani A., Bayer A., Foucaran A. - Sensors and Actuators A, 2003, v.107? pp.36-41.

6. Sumino M., Harada K., Ikeda M., Tanaka S., Miyazaki K. - Applied Physics Letters, 2011, v.99, 093308, pp.1-3.

7. Minnich A.J., Dresselhaus M.S., Ren Z.F. and Chen G. - Energy Environ. Sci., 2009, v.2, pp.466-479.

8. Zhao W. et. Al. - Energy Environ. Sci., 2012, v.5, pp.5364-5369.

9. Grow R. J., Wang Q., Cao J., Wang D., Dai H. - Appl. Phys. Lett., 2005, № 86, 093104.

10. Bandaru P.R. - J. Nanosci. Nanotechnol., 2007, v.7, №3, pp.1-29.

11. Каримов Х.С. Электрофизические свойства низкоразмерных органических материалов при деформации: Автореф. дисс...д.физ.-мат. н. - Душанбе, 1993.

^.С.Каримов, ^.МАхмедов, МАбид*, М.Мехран Башир*, МАли*, У.Шафик**

TA^^^ ДAТЧИKИ ГРAДИЕНТИ ^APGPAT ДAР AСGСИ ^^ТРУБ^^И KAРБOНЙ

Маркази та^циц ва татбици манбаъ^ои барцароркунандаи энергияи назди Институти физикаю-техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон, *Институти технология ва илмх;ои бунёдии ба номи Fулом Ис^оц Хон, Покистон, **Донишго%и Ватерлоо, Онтарио, Канада

Дар макола датчикхои градиенти хароратй, ки дар асоси кабатхои тунуки композити нанотрубкахои карбонй ва пайвасткунандаи силикатй тайёр карда шудааст тахкик гардидааст. Нишон дода шудааст, ки шиддати гайрикорй (бебор) ва чараёни расиши кутохи датчик аз градиенти харорат вобастагй дорад.

Калима^ои калиди: датчик - градиенти %арорат - нанотрубкахои карбони - шиддат - цараён -коэффитсиенти Зеебек.

Kh.S.Karimov, Kh.M.Akhmedov, M.Abid*, M.Mehran Bashir*, M.Ali*, U.Shafique* INVESTIGATION OF TEMPERATURE GRADIENT SENSORS BASED ON

CARBON NANO-TUBES

Center of research and usage of renewable sources of energy under the S.U. Umarov Physical-Technical Institute, Academy of sciences of the Republic of Tajikistan,

Gulam Ishak Khan Institute of Technology and Applied Science, Pakistan,

***University of Waterloo, Ontario, Canada

In this work it is described fabrication and investigation of thin film sensors of gradient of temperature based on composite of carbon nanotubes (CNT) and silicon adhesive. It was measured the dependences of the voltage, current and Seebeck coefficient of the sensors from gradient of temperature.

Key words: sensor - gradient of temperature - carbon nanotubes - voltage - current - Seebeck coefficient.