DE1204837B - Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Staeben aus thermoelektrischen Werkstoffen - Google Patents

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Staeben aus thermoelektrischen Werkstoffen

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DE1204837B
DE1204837B DEM53969A DEM0053969A DE1204837B DE 1204837 B DE1204837 B DE 1204837B DE M53969 A DEM53969 A DE M53969A DE M0053969 A DEM0053969 A DE M0053969A DE 1204837 B DE1204837 B DE 1204837B
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thermoelectric
melt
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pipe section
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DEM53969A
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George Albert Brown
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Merck and Co Inc
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/08Downward pulling
    • 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

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Description

  • Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Stäben aus thermoelektrischen Werkstoffen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Stäben aus thermoelektrischen Werkstoffen sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit, die mehr als 50 % Wismut und Tellur enthalten, wobei ein Gemisch der Ausgangsstoffe in einer Gießvorrichtung aufgeschmolzen und die Schmelze kontinuierlich durch einen am Boden der Vorrichtung befindlichen Rohrabschnitt, in dem sich eine Grenzfläche zwischen flüssiger und fester Phase ausbildet, abgezogen wird.
  • Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Stäben aus thermoelektrischen Werkstoffen, die Wismut und Tellur enthalten, bekannt. Bei diesem wird das Gemisch aus den Komponenten in einer zylindrischen Silikabombe untergebracht, die Bombe evakuiert und dann dicht verschlossen. Die dicht verschlossene Bombe wird dann in einem Ofen bei einer Temperatur von 900° C über wenigstens 3 Stunden erwärmt, um eine vollständige Bildung des Halbleiters zu erzielen. Nach der Abkühlung auf Raumtemperatur und Entfernung aus der Bombe wird der Einsatz in ein Silikaschiffchen eingebracht. Der Einsatz wird dann durch Hochfrequenz-Induktionsheizung in einer inaktiven Atmosphäre gerade zum Schmelzen gebracht, so daß er die Form des Schiffchens annimmt. Dann wird er unmittelbar auf Raumtemperatur abgekühlt, so daß ein fester Barren entsteht. Der erstarrte Barren wird schließlich dem als »Einzeldurchgang-Zonenschmelzen« bekannten Verfahrensschritt unterworfen, bei dem eine schmelzflüssige Zone an einem Ende des Barrens gebildet und veranlaßt wird, durch die Gesamtlänge des Barrens zu wandern, und zwar zuerst in einer Richtung und dann in der entgegengesetzten Richtung. Das bekannte Verfahren arbeitet nicht kontinuierlich und gestattet lediglich die Herstellung von Barren mit den Abmessungen des jeweils verwendeten Schiffchens.
  • Es ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Stäben aus thermoelektrischen Werkstoffen, die Cadmium, Zink und Antimon enthalten, bekannt. Auch hier handelt es sich nicht um ein kontinuierliches, sondern um ein diskontinuierliches Verfahren. Diese Verfahren sind aber gegenüber kontinuierlichen Verfahren umständlich und unwirtschaftlich.
  • Es sind zwar auch bereits Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Stäben aus Werkstoffen niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer, bekanntgeworden. Diese eignen sich aber nicht zur kontinuierlichen Herstellung von Stäben aus thermoelektrischen Werkstoffen, die mehr als 50 II/o Wismut und Tellur enthalten.
  • Thermoelektrische Werkstoffe, die mehr als 50 % Wismut und Tellur enthalten, lassen sich kontinuierlich herstellen, wenn bei dem Verfahren der einleitend genannten Art erfindungsgemäß der feste thermoelektrische Werkstoff aus dem Rohr in Form eines Stranges mit einer Geschwindigkeit von etwa 17,8 cm/Std. abgezogen wird.
  • Während bei dem -kontinuierlichen Gießen von Kupferstäben die Abzugsgeschwindigkeit zwischen 7,6 und 130 m/Std. liegt, beträgt die Abzugsgeschwindigkeit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren etwa 17,8 cm/Std., also nur etwa 1/4o der Abzugsgeschwindigkeit von Kupfer. Erst hierdurch ist es möglich, den Halbleiterstab kontinuierlich bis zu einer Länge von 24 m oder mehr zu gießen.
  • Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Vorrichtung.
  • Die Schmelz- und Gießvorrichtung 1 besitzt einen Präzisionsrohrabschnitt 2 mit einer Öffnung 3 an ihrem Boden. Die Vorrichtung weist einen Vorratsbehälter 4 zur Beschickung mit thermoelektrischem Werkstoff 5 auf. Vorzugsweise befindet sich die Schmelz- und Gießvorrichtung 1 in senkrechter Stellung, und der thermoelektrische Werkstoff wird dem Vorratsbehälter 4 vom Kopf her zugeführt und durch die Öffnung 3 am Boden in Form eines kontinuierlich gegossenen Stabes abgezogen.
  • Schmelzöfen 6 und 7 umgeben die Vorratszone 4 bzw. den das flüssige Material enthaltenden Teil 8 des Rohrabschnittes 2, um die Beschickung in flüssigem Zustand zu halten. Wenn die Flüssigkeit aus der Zone 8 ausströmt, gelangt sie in eine Kühlzone, worauf sie erstarrt und die feste Zone 9 mit einer Grenzfläche 10 zwischen der festen und der flüssigen Zone bildet. An der Feststoff-Flüssigkeits-Grenzfläche befindet sich der Isolator 11, der den Heizabschnitt von dem Kühlabschnitt trennt. Der Kühlabschnitt besteht aus einem wassergekühlten Mantel 12, der die an der Grenzfläche durch den Erstarrungsprozeß erzeugte Wärme kontinuierlich abführt. Die Isolier-und Kühlvorrichtungen gestatten die Einhaltung eines bestimmten Temperaturgefälles zwischen der flüssigen und der festen Zone des thermoelektrischen Werkstoffes. Vorzugsweise ist dieses bestimmte Temperaturgefälle ziemlich steil, und zwar in der Größenordnung von 200° C/cm, um das vollständige und rasche Erstarren des Werkstoffes in der Feststoffzone unterhalb der Grenzfläche innerhalb der Abmessungen des Rohres selbst zu gewährleisten.
  • Der so gegossene thermoelektrische Werkstoff wird dann fortlaufend aus dem Rohr in Form eines langgestreckten Stabes mittels der Abzugsanordnung 13 abgezogen. Die Abzugsanordnung besteht aus dem Impfstab 14, der von einer Halte- und Spannvorrichtung 15 getragen wird, die ihrerseits mit der Antriebsvorrichtung 16 verbunden ist. Um das kontinuierliche Abziehen des gegossenen thermoelektrischen Werkstoffes aus der Vorrichtung 1 zu erleichtern., wird der Flüssigkeitsvorratsbehälter über die Gasleitung 18 unter den überdruck eines inerten Gases 17 gesetzt. Ein überdruck ist von Vorteil, weil der thermoelektrische Stoff selbst nur eine verhältnismäßig geringe Festigkeit besitzt und die Neigung hat, in nicht abgestütztem Zustande zu zerbrechen. Ein von außen her ausgeübter Gasdruck ist zwar vorteilhaft und wird daher bevorzugt; jedoch kann man auch statt dessen eine große Flüssigkeitssäule des Werkstoffs in dem Vorratsbehälter verwenden, die dann den gewünschten Druck liefert.
  • Bei einem typischen Arbeitsgang besteht die Schmelz- und Gießvorrichtung aus Quarz und besitzt einen etwa 1000 mm langen, als Vorratsbehälter dienenden Abschnitt von 19 mm lichter Weite und einen Präzisionsrohrabschnitt von 152,4 mm Länge und etwa 6,1 mm lichter Weite. Diesds Quarzrohr wird dann vorzugsweise mit einem Kohlenstoffbeiag versehen, indem man einen Acetondämpfe enthaltenden Argonstrom bei einem Gesamtdruck von etwa 40 bis 50 mm Hg hindurchleitet, während das Rohr sich auf einer Temperatur von etwa 900 bis 1000° C befindet. Dann wird eine Beschickung des thermoelektrischen Werkstoffes, z. B. eine Wismut-Selen-Antimon-Tellur-Verbindung der Formel Bi..Sbg85e$Ter4., von etwa 45 g in Form eines einzigen Stücks oder mehrerer großer Stücke eingebracht und das Rohr mit der Gasleitung verbunden. Hierauf wird das Rohr, wie in der Abbildung dargestellt, in die öfeneingesetzt und das 1-Stück 19 an den Boden des Präzisionsrohrahschnittes angeschlossen. Sodann wird der Impfstab in einer Halte- und Spannvorrichtung ausgerichtet und so weit durch den Boden einer Kautschukdichtung in das Quarzrohr hineingeschoben, daß er in die Flüssigkeitszone 8 hineinragt. Nun wird die Spannvorrichtung in der Abzugsanordnung ausgerichtet, durch den Seitenarm des T-Stückes 19 wird ein Schmiermittel eingeführt, und die Verbindungen mit dem Gasleitungssystem- werden hergestellt.
  • Zunächst werden bei geschlossenen Ventilen a, b und c der Vorratsbehälter 4 und die Vorrichtung 1 mit Hilfe des Dreiwegventils d fünfmal abwechselnd evakuiert und mit Argon gespült. Dann werden die Vorrichtung 1 und der Vorratsbehälter 4 bei offenen Ventilen a und b unter einem schwachen Argonüberdruck gehalten. Das Argon strömt aus den Tauchrohren e und f durch eine öldichtung von etwa 13 mm Höhe aus, so daß in der Vorrichtung 1 und dem Vorratsbehälter ein geringer überdruck herrscht.
  • Zu Beginn des Arbeitsganges werden die Erhitzer 6 und 7 eingeschaltet, und es wird Kühlwasser durch den Kühler 12 strömen gelassen. Nach etwa 12 bis 15 Minuten hört der Gasaustritt aus dem Rohr e auf, woraus man erkennt, daß die Verbindung zwischen dem Vorratsbehälter und dem am Boden der Vorrichtung befindlichen Stab durch geschmolzenes Material abgedichtet ist. Nach weiteren 10 Minuten, innerhalb deren die Beschickung vollständig schmilzt, wird der Argondruck über der Schmelze, der durch das Manometer g angezeigt wird, allmählich auf etwa 1,36 atü gesteigert, indem der Argondruck in dem Zylinder erhöht und das Ventil b abgedrosselt wird, so daß das Gas nur noch sehr langsam herausperlt. Das Ventil u wird vollständig geöffnet, und das Ventil c wird vorsichtig so weit geöffnet, daß aus dem Rohr e nur ein sehr schwacher Argonstrom austritt und ein schwacher überdruck um den Impfstab herum innegehalten wird. Nun wird die Antriebsvorrichtung mit der gewünschten Geschwindigkeit, z. B. etwa 17,8 cm/Std., in Tätigkeit gesetzt. Der Arbeitsgang läuft dann kontinuierlich weiter, bis die ganze Beschickung durch die Grenzfläche durchgesetzt und zu einem ianggestreckten Stab gegossen ist. Zu diesem Zeitpunkt steigt die aus der ölvorlage e ausströmende Argonmenge an, und der Druck in dem Vorratsbehälter fällt ab, woraus man ersieht, daß die ganze Beschickung vergossen worden ist. Nun wird der Argondruck abgestellt und das System während des Erkaltens in einer inerten Atmosphäre gehalten. In einem typischen Arbeitsgang wird auf diese Weise in 5 Tagen aus einer Beschickung von 4!/z kg thermoelektrischen Werstoffes ein Stab von 6,35 mm Durchmesser und 21,3 m Länge gegossen. Der Gütewert Z dieses Materials ist der gleiche wie derjenige eines absatzweise gegossenen Materials.
  • Nach einer anderen Ausführungsform können eine Vorrichtung 1 und ein Vorratsbehälter 4 verwendet werden, dis nicht :aus Quarz, sondern aus Graphit bestehen, wobei die Lage der Grenzfläche zwischen fester und flüssiger Phase sich etwas von der für das Quarzrohr dargestellten Lage verschiebt. Solange die Grenzfläche in dem Präzisionsrohrabschnitt bleibt, was durch die Heiz- oder Kühlabschnitte bestimmt wird, ist die Arbeitsweise mit dieser Vorrichtung ähnlich derjenigen mit denn Quarzrohr.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für thermoelektrische Werkstoffe mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und geringer Festigkeit. Dementsprechend bedient sich das beschriebene bevorzugte Verfahren zur Erzeugung thermoelektrischer Stäbe von großer Länge in kontinuierlicher Arbeitsweise eines bestimmten Temperaturgefälles an der Grenz- Räche zwischen fester und flüssiger Phase und eines überdruckes über dem flüssigen Materialvorrat.

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Stäben aus thermoelektrischen Werkstoffen sehr niedriger Wärmeleitfähigkeit, die mehr als 50 1/o Wismut und Tellur enthalten, wobei ein Gemisch der Ausgangsstoffe in einer Gießvorrichtung aufgeschmolzen und die Schmelze kontinuierlich durch einen am Boden der Vorrichtung befindlichen Rohrabschnitt, in dem sich eine Grenzfläche zwischen flüssiger und fester Phase ausbildet, abgezogen wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der feste thermoelektrische Werkstoff aus dem Rohrabschnitt in Form eines Stranges mit einer Geschwindigkeit von etwa 17,8 cm/Std. abgezogen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze in dem Rohrabschnitt so stark gekühlt wird, daß das Temperaturgefälle. in der Abzugsrichtung mindestens 200° C/cm beträgt.
  3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Abziehens des erstarrten Stranges auf die Schmelze von oben her ein Inertgasdruck von etwa 1,4 atü ausgeübt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1037 481, 1054519.
DEM53969A 1961-08-21 1962-08-21 Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Staeben aus thermoelektrischen Werkstoffen Pending DE1204837B (de)

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DE2635373A1 (de) * 1975-08-08 1977-04-21 Ugine Kuhlmann Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen zuechtung von einkristallen bestimmter form
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