في الكيمياء هناك مركب يعرف باسم مركب تيلورايد البزموت، وهو عبارة عن فجوة ضيقة من أشباه الموصلات ذات الموصلية الحرارية العالية، كما وأكدت الأبحاث الحديثة أن مركب تيلورايد البزموت قد يزيد بشكل كبير من سرعة الرقائق الدقيقة ويكون أساسًا لتكنولوجيا الجيل التالي الناشئة المعروفة باسم “Spintronics”.
تيلوريد البزموت
- في الحقيقة فإنه يظهر مركب تيلورايد البزموت على شكل صفائح دموية إما رمادية أو سوداء سداسية تمتلك بريق معدني أو تكون على شكل مسحوق رمادي، عند درجة حرارة مقدارها 586 درجة مئوية، وهذا المركب يمتلك كثافة مقدارها 7.8 جم لكل سم مكعب، وهو عبارة عن سبيكة مكونة من عنصرين معدنيين.
- إن مركب تيلورايد البزموت ذو الصيغة الكيميائية التالية (Bi2Te3) جنبًا إلى جنب مع مركب (Sb2Te3) ومركب (Bi2Se3)، حيث أنه يتبلور في التركيب البلوري رباعي الأضلاع، أما بالنسبة لتنسيق عنصر البزموت (Bi) وعنصر التيلوريوم (Te) فهو عبارة عن تنسيق ثماني السطوح، ومثل الرصاص (Pb) والتيلوريوم (Te) في أشباه موصلات الرصاص الكالكوجينية (IV-VI) التي تمتلك بنية ملح صخري.
- في الواقع إن الكهربية للبزموت الأقل قليلاً مقارنةً بالتيلوريوم الأكثر كهرسلبية تبرر رابطة التكافؤ مثل (s2p0) والناتجة عن (Bi +3 و -Te 2)، مثل الملح الصخري (PbTe)، حيث تعمل عل تشكيل أنيون (-Te 2) من (Bi2Te3) طبقة ذات كاتيونات معبأة قريبة (Bi + 3 في Bi2Te3 أو Pb + 2 في PbTe) في ثقوب ثماني السطوح، بينما يحتوي الملح الصخري (PbTe) على تعبئة مكعبة (FCC)، من طبقات (Te) والتي تكون معبأة بشكل وثيق، كما ويحتوي (Bi2Te3) على ترتيب (HCP) سداسي لطبقات (Te).
- إن روابط (Te – Bi) تعتبر تساهمية قطبية بينما هي ضعيفة فقط، كما ويوجد ترابط من نوع فان دير فال بين (Te – Te)، إن وجود ذرات كبيرة ذات ذرات ضعيفة نسبيًا يؤدي لروابط شديدة الاستقطاب وغير متوافقة نسبيًا، وهذا يؤدي إلى عواقب مهمة على التوصيل الحراري للشبكة وثابت العزل الكهربائي.
- إن هيكل الطبقات (Bi2Te3) ضعيف، حيث تكون الروابط (Te – Te) بين الخماسيات مسؤولة عن الانقسام السهل على طول المستويات القاعدية (اتجاهات أ و ب)، وكذلك يكون هناك تباين في الخواص الميكانيكية والكهربائية، حيث أن الموصلية الكهربائية داخل المستويات القاعدية أكبر من ذلك عبر فجوة فان دير فال (على طول المحور c) مع النسبة، ويصل ارتفاعها إلى 6 في النوع (n) و 3 في النوع (p).
- إن الموصلية الحرارية على طول المستويات القاعدية تكاد تكون مزدوجة وذلك في الاتجاه العمودي، حيث أن الموصلية المفردة تفوق الموصلية الحرارية.
- يعد مركب تيلورايد البزموت عبارة عن مادة العمل لمعظم أجهزة التبريد بلتيير والمولدات الكهروحرارية، وهذا لأن (Bi2Te3) أو بشكل أكثر دقة سبائكها مع (Sb2Te3) للنوع p و (Bi2Se3) للمواد من النوع n تمتلك أعلى رقم حراري للجدارة (zT) من أي مادة حول درجة حرارة الغرفة.
- نظرًا لأنه سيتم تحسين التكنولوجيا الكهروحرارية بشكل كبير من خلال تحسين (Bi2Te3) أو العثور على مادة فائقة الجودة، فلا بد من تحديد وقياس خصائص المواد الرئيسية التي تجعل (Bi2Te3) كهروحراريًا جيدًا، إذ أنه يمكن إرجاع (zT) الكبير إلى انحلال النطاق العالي والكتلة الفعالة المنخفضة وحركة الناقل العالية، بالإضافة إلى التوصيل الحراري المنخفض نسبيًا للشبكة، والتي تساهم جميعها في عامل الجودة الكهروحرارية العالي بشكل ملحوظ.
- باستخدام البيانات والتي تحتوي على النتائج الأحدث، فإنه يتم تحديد معلومات عن المواد هذه كميًا، مما يعطي نظرة واضحة على تصميم بنية النطاق الإلكتروني لـ (Bi2Te3) وذلك عن طريق صناعة السبائك أو تقليل التوصيل الحراري بواسطة البنية النانوية.
معلومات عامة عن مركب تيلورايد البزموت
- يستخدم مركب تيلورايد البزموت وسبائكه على نطاق واسع كمواد للتبريد الكهروحراري، كما أنها تعد أفضل المواد لاستخدامها في المولدات الكهروحرارية عندما تكون درجة حرارة مصدر الحرارة معتدلة، وعادة ما يرتفع رقم الجدارة عديم الأبعاد مع درجة الحرارة، طالما لا يوجد سوى نوع واحد من حامل الشحنة، في النهاية وعلى الرغم من ذلك، يصبح توصيل ناقل الأقلية كبيرًا وينخفض (ZT) فوق درجة حرارة معينة، وهناك أيضًا إمكانية التحلل الكيميائي بسبب تبخر التيلوريوم.
- إن مركب تيلورايد البزموت وسبائكه مع مركب (Sb2Te3) ومركب (Bi2Se3) هي تعد أهم فئة من فئات المواد الحرارية؛ وذلك لأن لديهم أعلى كفاءة معروفة بالقرب من درجة حرارة الغرفة وذلك على الرغم من المحاولات العديدة لاكتشاف أفضل المواد.
- وكون مركب تيلورايد البزموت يعد أفضل مادة فإنه فعليًا يكون كل مبرد بلتيير مصنوعة من أجل التبريد الكهروحراري الفعال أو تستخدم إدارة درجة الحرارة سبائك (Bi2Te3)، حيث تهيمن أجهزة الحالة الصلبة هذه على سوق التحكم في درجة الحرارة في الإلكترونيات الضوئية.
- وحسب الحاجة للقضاء على زيادة مبردات غازات الاحتباس الحراري أصبح تبريد بلتيير أكثر جاذبية خاصة في الأنظمة الصغيرة حيث الكفاءات قابلة للمقارنة التقليدية، قد تمكن الأجهزة من التسخين التوزيعي أو التبريد (فقط في مكان ووقت الحاجة إليه) مع كفاءة طاقة أعلى على مستوى النظام.
- على سبيل المثال في السيارات الكهربائية حيث الطاقة للتدفئة أو التبريد تتنافس معها مدى السيارة، وحتى بالنسبة للكهرباء الحرارية وتوليد الطاقة مثلا استعادة النفايات، إن سبائك (Bi2Te3) هي الأكثر استخداما لأن من الكفاءة الفائقة تصل إلى 200 درجة مئوية وتكنولوجيا صنع الأجهزة مع (Bi2Te3) هي الأكثر تقدمًا.
- في حين أن تكنولوجيا المواد والإنتاج لصنع الأجهزة القائمة على (Bi2Te3) ظلت في الأساس دون تغيير منذ ذلك الحين أي في الستينيات، وتقدمت المواد بشكل كبير، وفي الآونة الأخيرة، أدى الاهتمام بالعوازل الطوبولوجية (TI) إلى رؤى جديدة في الهيكل الإلكتروني المعقد كاشفة أنه مع الدقة في تقييم هياكل النطاق المتاحة اليوم فإن التحسينات في البنية الإلكترونية حسب النطاق لا يجب أن تكون الهندسة ممكنة فحسب، بل يمكن توقعها.
- في الواقع، لقد تم اختيار السبائك من النوع p للاستخدام في بلتيير التجاري، ويبدو أن المبردات قد وصلت عن غير قصد إلى تركيبة على مقربة من نطاق التقارب، يمكن أيضًا أن تكون الموصلية الحرارية للسبائك القائمة على (Bi2Te3) تم تصميمه حيث يوجد اهتمام كبير مؤخرًا به على وجه الخصوص في الهندسة المجهرية أو البنية النانوية.
- أدت الموصلية الحرارية المخفضة إلى العديد من التقارير حول الكفاءة العالية بشكل استثنائي (zT)، والتي ستكون كافية لإحداث ثورة في الصناعة، ومع ذلك بين القياس والمواد هناك حالة من عدم اليقين عن مادة ثورية جديدة تعتمد على (Bi2Te3) لم يصل إلى السوق.
