DE2165169B2 - Alloy, manufacture thereof and use thereof for devices for direct thermoelectric energy conversion - Google Patents

Alloy, manufacture thereof and use thereof for devices for direct thermoelectric energy conversion

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Description

ergibt sich ein hoher Carnotscher Gütegrad gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.the result is a high Carnot quality grade according to the second law of thermodynamics.

Der obenerwähnte Ausdruck »Schmelzpunkt« soll als die Solidus-Temperatur oder genauer als die Mitteltemperatur beim Übergang des Stoffs vom festen zum flüssigen Zustand verstanden werden.The term "melting point" mentioned above is intended to be the solidus temperature, or more precisely the mean temperature to be understood at the transition of the substance from the solid to the liquid state.

Um die bestmögliche Leistung dieser Stoffe für die Verwendung in thermoelektrischen Energieumwandler zu erreichen, kann man folgendes tun:To get the best possible performance from these substances for use in thermoelectric energy converters you can do the following:

1. Die Anteile an Silicium, Germanium und Zinn variieren; und1. The proportions of silicon, germanium and tin vary; and

2. mit geeigneten Verunreinigungen bis zu einem geeigneten Niveau dotieren.2. Dope with appropriate impurities to an appropriate level.

Was den Faktor 1 betrifft, soll darauf hingewiesen werden, daß die beste Lösung darin besteht, für Silicium, Germanium und Zinn gleiche Atomprozente zu verwenden. Infolge der Schwierigkeiten, die bei der Dotierung des Stoffes auftreten, kann es zur Erzielung der bestmöglichen Gütezahl erforderlich sein, die Molekularanteile von Si, Ge und Sn ungleich zu machen.As for the factor 1, it should be noted that the best solution is to use for Silicon, germanium and tin to use equal atomic percentages. As a result of the difficulties that occur when doping the substance, it may be necessary to achieve the best possible figure of merit be to make the molecular fractions of Si, Ge and Sn unequal.

Der Faktor 2 ist wichtig, um ein p-leitendes bzw. η-leitendes Material herzustellen. Durch die Anwendung eines Überschusses oder Mangels an Magnesium, Silicium, Germanium oder Zinn in der erfindungsgemäßen Legierung kann man dafür sorgen, daß das Material η-leitend bzw. p-leitend wird. Ein Überschuß von Magnesium bewirkt eine negative Dotierung, während ein Überschuß eines der anderen drei Elemente eine positive Dotierung erzeugt. Es ist auch möglich andere Dotierungsverunreinigungen (Elemente oder Verbindungen) zu verwenden. Das Dotierungsniveau soll dabei so eingestellt werden, daß eine Ladungsträgerkonzentration bis zu etwa 1020 pro cm3 hervorgerufen wird. Dieser Wert bezieht sich selbstverständlich sowohl auf Donatoren als auch auf Akzeptoren. Die Dotierung des Stoffes in einer Weise, daß ein negativ leitendes Material erhalten wird (Überschuß von Elektronen bzw. Donatoren) erweist sich infolge des hohen Verhältnisses von Elektronenbeweglichkeit zur Löcherbeweglichkeit als leicht. Die Dotierung des Stoffes in einer Weise, daß ein positiv leitendes Material erhalten wird (Überschuß von Löchern bzw. Akzeptoren) wird so vorgenommen, daß eine Verkleinerung des verbotenen Energiebandabstandes bewirkt wird. Dies kann durch eine Erhöhung des Molekularanteils von Zinnmagnesium und, bis zu einem gewissen Umfang, des Molekularanteils von Germaniummagnesium in der Legierung erzielt werden. The factor 2 is important in order to produce a p-conductive or η-conductive material. By using an excess or deficiency of magnesium, silicon, germanium or tin in the alloy according to the invention, it is possible to ensure that the material becomes η-conductive or p-conductive. An excess of magnesium produces a negative doping, while an excess of one of the other three elements produces a positive doping. It is also possible to use other doping impurities (elements or compounds). The doping level should be set so that a charge carrier concentration of up to about 10 20 per cm 3 is caused. This value naturally relates to both donors and acceptors. The doping of the substance in such a way that a negatively conductive material is obtained (excess of electrons or donors) proves to be easy due to the high ratio of electron mobility to hole mobility. The doping of the substance in such a way that a positively conductive material is obtained (excess of holes or acceptors) is carried out in such a way that the forbidden energy band gap is reduced. This can be achieved by increasing the molecular proportion of tin-magnesium and, to some extent, the molecular proportion of germanium-magnesium in the alloy.

Es ist klar, daß zur Herstellung eines thermoelektrischen Energieumwandlers beide Schenkel der Vorrichtung eine verschiedene Zusammensetzung haben müssen.It is clear that in order to produce a thermoelectric energy converter, both legs of the device must have a different composition.

Der Grad, bis zu welchem der Molekularanteil von Mg2Sn gesteigert werden kann, hängt von der Grenze seiner Löslichkeit in den anderen beiden Verbindungen (Mg2Ge und Mg2Si) und von der Notwendigkeit, eine übermäßige Verringerung der Schmelztemperatur zu vermeiden, ab. Außerdem muß darauf geachtet werden, die Umwandlung des Stoffes in einen eigenleitenden Zustand bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen zu verhindern.The degree to which the molecular fraction of Mg 2 Sn can be increased depends on the limit of its solubility in the other two compounds (Mg 2 Ge and Mg 2 Si) and on the need to avoid unduly lowering the melting temperature . In addition, care must be taken to prevent the transformation of the substance into an intrinsic state at relatively low temperatures.

In der Folge sind einige Zusammensetzungen einiger erfindungsgemäßer Legierungen angegeben, die für thermoelektrische Energieumwandlungsvorrichtungen in Frage kommen:In the following some compositions of some alloys according to the invention are given which for thermoelectric energy conversion devices are:

1. Für den negativen Zweig der Vorrichtung (n-Typ-Material):1. For the negative branch of the device (n-type material):

b) Mg2Si014Ge018Sn018
c) Mg2Si018Ge018Sn012
b) Mg 2 Si 014 Ge 018 Sn 018
c) Mg 2 Si 018 Ge 018 Sn 012

2. Für den positiven Zweig der Vorrichtung (p-Typ-Material):2. For the positive branch of the device (p-type material):

b) Mg2Si0-4Ge014Sn014'b) Mg 2 Si 0-4 Ge 014 Sn 014 '

c) Mg2Si018Ge018Sn014 c) Mg 2 Si 018 Ge 018 Sn 014

Um einen Durchbruch in der Anwendung der unmittelbaren thermoelektrischen Energieumwandlung zu schaffen, muß ein Stoff gefunden werden, der einen Gütegrad der Umwandlung der Wärme in Elektrizität von etwa 40 °/o gestattet. Mit der erfindungsgemäßen Legierung wird die Lösung des Problems so diesem Ziel näher gebracht.To make a breakthrough in the application of the immediate To create thermoelectric energy conversion, a substance must be found that a degree of conversion of heat into electricity of about 40 per cent. With the invention Alloy, the solution to the problem is brought closer to this goal.

Die erfindungsgemäßen Legierungen bringen bei der Herstellung von thermoelektrischen Vorrichtungen folgende Vorteile mit sich:The alloys of the invention are useful in the manufacture of thermoelectric devices the following advantages:

1. eine hohe Annäherung an den idealen Gütegrad '5 einer zwischen denselben Temperaturgrenzen arbeitenden Carnotschen Wärmekraftmaschine;1. a close approximation of the ideal quality grade 5 of a Carnot heat engine operating between the same temperature limits;

2. eine hohe Gütezahl infolge2. a high figure of merit as a result

a) einer sehr niedrigen Wärmeleitfähigkeit,a) very low thermal conductivity,

b) einer hohen Beweglichkeit der Elektronen,b) a high mobility of the electrons,

c) einer hohen elektrischen Leitfähigkeit,c) a high electrical conductivity,

d) einer hohen Thermokraft bzw. eines hohen Seebeckschen Koeffizienten;d) a high thermal force or a high Seebeck coefficient;

3. die Möglichkeit, die Zusammensetzung des Stoffes in einem oder in beiden Zweigen der Vorrichtung zwischen der heißen Verbindungsstelle und der kalten Verbindungsstelle entsprechend einzustellen; und3. the possibility of the composition of the substance in one or in both branches of the device between the hot connection point and the cold connection point accordingly to discontinue; and

4. eine gute mechanische Festigkeit wegen des Vorhandenseins von Mg2Si im Stoff.4. Good mechanical strength due to the presence of Mg 2 Si in the fabric.

Die Ausgangselemente, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Legierung verwendet werden (Magnesium, Silicium, Germanium und Zinn) sollen von höchstmöglicher Reinheit sein. Die Reinheit der Ausgangselemente soll nicht weniger als 99,99 Gewichtsprozent für Magnesium und 99,999 Gewichtsprozent für Zinn sein. Für Silicium und Germanium soll sie noch wesentlich höher als der letztgenannte Weri liegen. Das Magnesium, das mit der vorgenannter Reinheit erhältlich ist, soll durch Destillation untei Hochvakuum weiter gereinigt werden, damit es ein Reinheitsniveau erreicht, das ähnlich denen der anderen drei Elemente ist.The starting elements that are used to manufacture the alloy according to the invention (magnesium, Silicon, germanium and tin) should be of the highest possible purity. The purity of the starting elements should not be less than 99.99 percent by weight for magnesium and 99.999 percent by weight be for tin. For silicon and germanium it should be significantly higher than the latter Weri lie. The magnesium, which is obtainable with the aforementioned purity, is said to be untei by distillation High vacuum further cleaning so that it reaches a level of purity similar to that of the others is three elements.

Die erfindungsgemäßen Legierungen sind Vorzugs weise Einkristalle, die mittels einer modifizierter Bridgmanschen Methode bzw. einer anderen geeigne ten Methode gezüchtet werden.The alloys according to the invention are preference as single crystals that are modified by means of a Bridgman's method or another suitable method.

Die erfindungsgemäßen Legierungen werden ent weder durch Vermischen entsprechender Mengen de: Ausgangselemente selbst (Magnesium, Silicium, Ger manium und Zinn) und Zusammenschmelzen ode aber durch selbständige Herstellung einer jeden de drei intermetallischen Verbindungen (Zinnmagne sium, Germaniummagnesium und Slliciummagne sram) und Zusammenschmelzen der entsprechende! Mengen der intermetallischen Verbindungen herge stellt.The alloys according to the invention are either made by mixing appropriate amounts of: Starting elements themselves (magnesium, silicon, Ger manium and tin) and melting together or through the independent production of each de three intermetallic compounds (tin magne sium, germanium magne sium and silicon magne sium sram) and merging the corresponding! Amounts of the intermetallic compounds produced represents.

Bei beiden Verfahren kann das Dotierungsmittel in Ergebnisse wird es bevorzugt, das Schmelzen sowie der gewünschten Menge zu den Grundbestandteilen, das Kristallzüchten in einer Edelgasatmosphäre oder die pulverförmig oder kornförmig sein dürfen, hinzu- einer reduzierenden Atmosphäre oder im Vakuum gesetzt und damit vermischt werden, bevor das auszuführen. Es ist außerdem darauf zu achten, BeSchmelzen begonnen wird. Es ist aber auch möglich, 5 halter und Schmelztiegel zu verwenden, die die das Dotierungsmittel während des Schmelzens zu- Schmelze nicht verunreinigen bzw. das Kristallzugeben, wachstum nicht stören. Ein Zonenschmelzverfahren Falls die erste der obigen Verfahrensvarianten ge- kann angewendet werden, um das Material noch stärwählt wird, werden die Bestandteile bis zu einer Tem- ker zu reinigen.In either method, the dopant can result in preferred melting as well the desired amount to the basic ingredients, crystal growing in a noble gas atmosphere or which may be powdery or granular, in a reducing atmosphere or in a vacuum set and mixed with it before doing this. Care must also be taken to avoid melting is started. But it is also possible to use 5 holders and crucibles that the Do not contaminate the dopant during melting or add the crystal, do not interfere with growth. A zone melting process If the first of the above process variants can be used to strengthen the material the components will be cleaned up to a tem- ker.

peratur, die höher als 1410° C sein muß, erhitzt, da- io Die auf diese Weise gewonnene fsste Lösung soll mit das Silicium vollständig schmilzt. Hierauf kann vorzugsweise ein Einkristall sein, der mittels einer die Schmelze bis zu einem Temperaturniveau all- modifizierten Bridgmanschen Methode oder einer anmählich abgekühlt werden, das einige Grade höher deren geeigneten Methode gezüchtet wird. Falls die als der Schmelzpunkt von Germaniummagnesium Bridgmansche bzw. Temperaturgefällefriermethode liegt, welches die Verbindung ist, die die höchste 15 angewendet wird, dann müssen beim Züchten des Schmelztemperatur (1115° C) aufweist. Dann soll die Einkristalls folgende Maßnahmen durchgeführt wer-Schmelze eine ausreichende Zeit auf diese Tempe- den.
ratur (etwa 1125° C) gehalten werden, damit die intermetallischen Verbindungen sich vollkommen ver- 1. Die die feste Phase und die flüssige Phase trenmischen. Hierauf wird der Stoff langsam auf seine »0 nende Zwischenfläche soll genau und sorgfältig Umgebungstemperatur abgekühlt, wobei ein Ein- reguliert werden. Eine bogenförmige Zwischenkristall in Form einer festen Lösung erhalten wird. fläche, die sich konkav in die flüssige Phase hin-
temperature, which has to be higher than 1410 ° C, so that the finest solution obtained in this way should completely melt with the silicon. A single crystal can preferably be thereupon, which is gradually cooled by means of a Bridgman method that has all modified the melt to a temperature level or a method that is grown a few degrees higher than the suitable method. If that is Bridgman's melting point or temperature gradient freezing method, which is the compound that has the highest 15 used, then it must have the melting temperature (1115 ° C) when growing. The following measures should then be carried out on the single crystal: Melt a sufficient time at this temperature.
temperature (approx. 1125 ° C) must be maintained so that the intermetallic compounds completely mix 1. The separate the solid phase and the liquid phase. The substance is then slowly cooled down to its intermediate surface. An arc-shaped intermediate crystal in the form of a solid solution is obtained. surface that is concave into the liquid phase

Bei der zweiten Verfahrensvariante werden zu- einerstreckt, soll aufrechterhalten werden,
nächst die intermetallischen Verbindungen durch Zu- 2. Ein verhältnismäßig lineares Temperaturgefälle sammenmischen der betreffenden Elemente in den 25 entlang der Längsachse des den Kristall tragenentsprechenden stöchiometrischen Mengen und an- den Behälters soll aufrechterhalten werden,
schließendes Schmelzen (um die notwendige chemische Reaktion zustande zu bringen) angefertigt Durch die Einhaltung der obigen zwei Bedingun-(Magnesium und Silicium; Magnesium und Germa- gen wird es möglich, Einkristalle mit verhältnismäßig nium; und Magnesium und Zinn). 30 wenig Verschiebungen herzustellen und die Möglich-Zum Beispiel werden die Ausgangselemente, nach- keit der Entstehung von Kristallunvollkommenheiten, dem sie zusammengemischt worden sind, bis zu Tem- wie z. B. mikroskopische Risse und ungleiches Kriperaturen, die ungefähr 50° C über den Schmelzpunk- Stallwachstum, wesentlich zu verringern,
ten der betreffenden intermetallischen Verbindungen Es ist auch möglich, die erfindungsgemäße Legieliegen, erhitzt und etwa eine Stunde auf dieser Tem- 35 rung durch ein pulvermetallurgisches Verfahren herperatur gehalten. So werden also die Verbindungen zustellen. Dabei werden die intermetallischen Ver-Zinnmagnesium und Germaniummagnesium dadurch bindungen erst hergestellt und in ein feines Pulver aufbereitet, daß die Ausgangselemente bis zu etwa vermählen. Das Material wird dann heiß oder kalt 8300C bzw. U 65° C erhitzt werden. Bei der Her- gepreßt und gesintert. Die Dotierungsmittel werden stellung des Germaniummagnesiums kann eine Erhit- 40 dem Ausgangsgemisch zugesetzt,
zung seiner Bestandteile bis zu etwa 1250° C oder Wie bereits weiter oben ausgeführt, soll die Legievorzugsweise bis zu etwa 1200° vorgenommen wer- rung mit entsprechenden Verunreinigungen und bis den. Die Herstellung von Siliciummagnesium unter- zu einem zweckmäßigen Niveau dotiert werden, dascheidet sich dadurch, daß die Ausgangselemente bis mit die bestmögliche thermoelektrische Leistung erzu einer Temperatur, die höher als 1410° C sein muß, 45 langt werden kann. Die Dotierung mit Kupfer, Silber, erhitzt werden, damit das vollkommene Schmelzen Cadmium oder Zink ergibt ein p-leitendes Material, von Silicium erreicht wird. Danach kann die Tempe- Aluminium, Gallium, Indium und/oder Gold können ratur allmählich bis zu ungefähr 1150° C abgesenkt ebenfalls als Zusatzverunreinigungen für Leiter des und eine ausreichende Zeitspanne auf diesem Niveau p-Typs benützt werden. Lithium, Natrium und/oder gehalten werden, um die chemischen Reaktionen zu 5» Kalium als Dotierungsmittel ergeben einen Überschuß Ende zu bringen. Ein starkes Schütteln der Schmelze an Akzeptoren bzw. Löchern und infolgedessen eben- und ein Überschuß an Magnesium sind Vorsichts- falls eine Legierung vom p-Typ. Es ist auch möglich, maßregeln, die zur Erlangung von gleichförmigen Verbindungen von Lithium, Natrium und/oder Ka-(homogenen) und stöchiometrischen Verbindungen lium mit den Elementen Bor, Silicium, Germanium nützlich sind. 55 und/oder Zinn zu verwenden, wobei wiederum Leim Anschluß daran werden die intermetallischen gierungen vom p-Typ erhalten werden. Beispielsweise Verbindungen pulverisiert und vermischt und eine kann hierfür Magnesiumborid verwendet werden. Die ausreichende Zeit auf 1125° C erhitzt, um ein voll- bevorzugten Dotierungsmittel vom p-Typ sind Silber ständiges Vermischen der intermetallischen Verbin- und Kupfer. Eine kräftige Dotierung erhält man, düngen zu erreichen. Hierauf wird langsam auf 60 wenn man eines der Elemente Kupfer, Silber, Cad-Raumtemperatur abgekühlt. mium oder Zink mit mindestens einem der Elemente Die Schmelze soll im übrigen gut geschüttelt wer- Aluminium, Gallium und/oder als Dotierungsmittel den, um eine einheitliche feste Lösung zu erhalten. kombiniert. Die Dotierung mit dem meisten Elemen-Ein Überschuß von Magnesium über die stöchiome- ten der Hauptgruppen V, VI und VII des Periodentrisch nötige Menge ist nützlich, um übermäßige Ver- 65 systems der Elemente ergibt η-leitende Legierungen, luste dieses Elements durch Verdampfen auszuglei- Beispiele für solche Elemente sind Phosphor, Arsen, chen. Beim Abkühlen ist es möglich, in der üblichen Antimon, Wismut, Schwefel, Selen, Tellur, Chlor, Weise Einkristalle zu züchten. Zur Erzielung bester Brom und Jod. Sie können entweder allein oder als
In the second variant of the procedure, stretching is to be maintained,
next the intermetallic compounds by adding 2. A relatively linear temperature gradient should be maintained between the respective elements in the 25 along the longitudinal axis of the stoichiometric quantities corresponding to the crystal and on the container,
final melting (in order to bring about the necessary chemical reaction) made By observing the above two conditions (magnesium and silicon; magnesium and germagen, it is possible to produce single crystals with relatively nium; and magnesium and tin). 30 to produce few displacements and the possible. B. microscopic cracks and unequal Kriperatures, which about 50 ° C above the melting point stable growth, significantly reduce,
The intermetallic compounds in question can also be heated and kept at this temperature for about an hour using a powder-metallurgical process. So this is how the connections will deliver. The intermetallic tin-magnesium and germanium-magnesium bonds are first produced and processed into a fine powder by grinding the starting elements up to about. The material is then hot or cold 830 0 C or U 65 ° C to be heated. When pressed and sintered. The dopants are placed in the position of the germanium magnesium, a heating 40 can be added to the starting mixture,
As already stated above, the alloying should preferably be carried out up to about 1200 ° with corresponding impurities and up to. The production of silicon magnesium can be doped below an appropriate level, that is, the starting elements can be reached up to a temperature which must be higher than 1410 ° C. with the best possible thermoelectric performance. The doping with copper, silver, can be heated so that the complete melting of cadmium or zinc results in a p-type material, silicon is achieved. Thereafter, the temperature can be used as additional impurities for conductors of the p-type and for a sufficient period of time at this level. Lithium, sodium and / or are kept to bring the chemical reactions to 5 »potassium as a dopant result in an excess end. Vigorous shaking of the melt at acceptors or holes and consequently even and an excess of magnesium are, if precaution, an alloy of the p-type. It is also possible to measure which are useful for obtaining uniform compounds of lithium, sodium and / or Ka- (homogeneous) and stoichiometric compounds lium with the elements boron, silicon, germanium. 55 and / or tin to be used, with glue in turn following this, the p-type intermetallic alloys are obtained. For example, compounds are pulverized and mixed, and magnesium boride can be used for this. The sufficient time heated to 1125 ° C to make a fully preferred p-type dopant are silver constantly mixing the intermetallic compound and copper. A strong doping is obtained to achieve fertilization. It is then slowly cooled to 60 when one of the elements copper, silver, cad is cooled down to room temperature. mium or zinc with at least one of the elements The melt should also be shaken well aluminum, gallium and / or as a dopant in order to obtain a uniform solid solution. combined. Doping with most of the elements - an excess of magnesium over the stoichiome- tes of main groups V, VI and VII of the periodic table is useful to compensate for excessive loss of this element through evaporation - Examples of such elements are phosphorus, arsenic, chen. When cooling, it is possible to grow single crystals in the usual antimony, bismuth, sulfur, selenium, tellurium, chlorine, manner. To achieve the best bromine and iodine. You can either stand alone or as a

Verbindungen mit anderen Elementen, vorzugsweise mit Magnesium, verwendet werden. Beispielsweise können Magnesiumchlorid, Magnesiumbromid und Magnesiumjodid als Dotierungsmittel des η-Typs verwendet werden. Zur Erzielung besserer ErgebnisseCompounds with other elements, preferably with magnesium, can be used. For example For example, magnesium chloride, magnesium bromide and magnesium iodide can be used as η-type dopants will. To get better results

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können mehrere Dotierungselemente bzw. ] rungsverbindungen zur Anwendung gebracht wi Eine einfache technische Ausführungsformseveral doping elements or compounds can be used A simple technical embodiment

thermoelektrischen Energieumwandlers ist ii Zeichnung zu sehen.thermoelectric energy converter can be seen ii drawing.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Legierung, bestehend aus 20 bis 60 Molprozent MgjjSi, 20 bis 40 Molprozent Mg2Ge und 10 bis 40 Molprozent Mg2Sn.1. Alloy consisting of 20 to 60 mol percent MgjjSi, 20 to 40 mol percent Mg 2 Ge and 10 to 40 mol percent Mg 2 Sn. 2. Legierung nach "Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Molanteil von Mg2Si größer als der von Mg2Ge und der von Mg2Sn ist. 2. Alloy according to "Claim 1, characterized in that the molar proportion of Mg 2 Si is greater than that of Mg 2 Ge and that of Mg 2 Sn. 3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Molanteil von Mg2Si kleiner als der von Mg2Ge und der von Mg2Sn ist3. Alloy according to claim 1, characterized in that the molar fraction of Mg 2 Si is smaller than that of Mg 2 Ge and that of Mg 2 Sn 4. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Molantcil von Mg2Sn größer als der von Mg2Si und der von Mg2Ge ist.4. Alloy according to claim 1, characterized in that the molar percentage of Mg 2 Sn is greater than that of Mg 2 Si and that of Mg 2 Ge. 5. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Molanteile von Mg2Si, Mg2Ge und Mg2Sn gleich groß sind.5. Alloy according to claim 1, characterized in that the molar proportions of Mg 2 Si, Mg 2 Ge and Mg 2 Sn are equal. 6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 ao bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Form eines Einkristalls vorliegt.6. Alloy according to one of claims 1 ao to 5, characterized in that it is in the form of a single crystal is present. 7. Legierung nach Anspruch 2 oder 5, vorzugsweise in Form eines Einkristalls nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis zu einer La- »5 dungsträgerdichte von 1020 Ladungsträgern pro cm3 mit Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut, Schwefel, Selen, Tellur, Chlor, Brom und/oder Jod und/oder deren Verbindungen mit Magnesium dotiert ist.7. Alloy according to claim 2 or 5, preferably in the form of a single crystal according to claim 6, characterized in that it contains up to a charge »5 charge carrier density of 10 20 charge carriers per cm 3 with phosphorus, arsenic, antimony, bismuth, sulfur, selenium , Tellurium, chlorine, bromine and / or iodine and / or their compounds is doped with magnesium. 8. Legierung nach einem der Ansprüche 2 oder 5, vorzugsweise in Form eines Einkristalls nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis zu einer Ladungsträgerdichte von 1020 Ladungsträgern pro cm8 durch einen Überschuß an Magnesium dotiert ist.8. Alloy according to one of claims 2 or 5, preferably in the form of a single crystal according to claim 6, characterized in that it is doped by an excess of magnesium up to a charge carrier density of 10 20 charge carriers per cm 8. 9. Legierung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, vorzugsweise in Form eines Einkristalls nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis zu einer Ladungsträgerdichte von 1020 Ladungsträgern pro cm3 mit Kupfer, Silber, Cadmium oder Zink dotiert ist.9. Alloy according to one of claims 3 to 5, preferably in the form of a single crystal according to claim 6, characterized in that it is doped with copper, silver, cadmium or zinc up to a charge carrier density of 10 20 charge carriers per cm 3. 10. Legierung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, vorzugsweise in Form eines Einkristalls nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis zu einer Ladungsträgerdichte von 1020 Ladungsträgern pro cm3 mit Aluminium, Gallium, Indium und/oder Gold dotiert ist.10. Alloy according to one of claims 3 to 5, preferably in the form of a single crystal according to claim 6, characterized in that it is doped with aluminum, gallium, indium and / or gold up to a charge carrier density of 10 20 charge carriers per cm 3. 11. Legierung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, vorzugsweise in Form eines Einkristalls nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis zu einer Ladungsträgerdichte von 1020 Ladungsträgern pro cm3 mit einem der Elemente Kupfer, Silber, Cadmium oder Zink und mindestens einem der Elemente Aluminium, Gallium und/oder Indium dotiert ist.11. Alloy according to one of claims 3 to 5, preferably in the form of a single crystal according to claim 6, characterized in that it contains up to a charge carrier density of 10 20 charge carriers per cm 3 with one of the elements copper, silver, cadmium or zinc and at least one the elements aluminum, gallium and / or indium is doped. 12. Legierung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, vorzugsweise in Form eines Einkristalls nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis zu einer Ladungsträgerdichte von 1020 Ladungsträgern pro cm3 mit Lithium, Natrium und/ oder Kalium und/oder deren Verbindungen mit Bor, Silicium, Germanium und/oder Zinn dotiert ist.12. Alloy according to one of claims 3 to 5, preferably in the form of a single crystal according to claim 6, characterized in that it contains up to a charge carrier density of 10 20 charge carriers per cm 3 with lithium, sodium and / or potassium and / or their compounds Boron, silicon, germanium and / or tin is doped. 13. Legierung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, vorzugsweise in Form eines Einkristalls nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis zu einer Ladungsträgerdichte von 1020 Ladungsträgern pro cms mit Magnesiumborid dotiert ist13. Alloy according to one of claims 3 to 5, preferably in the form of a single crystal according to claim 6, characterized in that it is doped with magnesium boride up to a charge carrier density of 10 20 charge carriers per cm s 14. Legierung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, vorzugsweise in Form eines Einkristalls nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie bis zu einer Ladungsträgerdichte von 1O20 Ladungsträgern pro cm3 durch einen Überschuß von Silicium, Germanium oder Zinn dotiert ist.14. Alloy according to one of claims 3 to 5, preferably in the form of a single crystal according to claim 6, characterized in that it is doped up to a charge carrier density of 1O 20 charge carriers per cm 3 by an excess of silicon, germanium or tin. 15. Verfahren zur Herstellung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet daß die Elemente Magnesium, Silicium, Germanium und Zinn in Pulverform vermischt vorzugsweise daraufhin die Dotierungsstoffe gleichfalls in Pulverform zugesetzt und wiederum vermischt werden, worauf diese Mischung bei Temperaturen von wenigstens 1410° C zusammengeschmolzen, auf 1125° C abgekühlt, bei dieser Temperatur Im flüssigen Zustand homogenisiert und die homogene Legierung darauf auf Zimmertemperatur abgekühlt wird.15. A method for producing an alloy according to any one of claims 1 to 14, characterized that the elements magnesium, silicon, germanium and tin in powder form then preferably mixes the dopants also added in powder form and be mixed again, whereupon this mixture at temperatures of at least 1410 ° C melted together, cooled to 1125 ° C, homogenized at this temperature in the liquid state and then the homogeneous alloy is cooled to room temperature. 16. Verfahren zur Herstellung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet daß zuerst bei einer Temperatur von wenigstens 830° C aus Magnesium und Zinn die intermetallische Verbindung Mg2Sn, aus den Elementen Magnesium und Germanium bei Temperaturen von wenigstens 11650C die intermetallische Verbindung Mg2Ge und aus den Elementen Magnesium und Silicium bei Temperaturen von wenigstens 141O0C die intermetallische Verbindung Mg2Si hergestellt wird, die intermetallischen Verbindungen darauf pulverisiert und vermischt werden, vorzugsweise diese Mischung mit dem gleichfalls pulverförmigen Dotierungsmittel wiederum vermischt, bei 1125° C im flüssigen Zustand homogenisiert und die homogene Legierung schließlich auf Raumtemperatur abgekühlt wird.16. A method for producing an alloy according to any one of claims 1 to 14, characterized in that first at a temperature of at least 830 ° C from magnesium and tin, the intermetallic compound Mg 2 Sn, from the elements magnesium and germanium at temperatures of at least 1165 0 C the intermetallic compound Mg 2 Ge and from the elements magnesium and silicon at temperatures of at least 141O 0 C the intermetallic compound Mg 2 Si is produced, the intermetallic compounds are pulverized and mixed thereon, preferably this mixture is mixed again with the dopant, which is also powdery, at 1125 ° C in the liquid state and the homogeneous alloy is finally cooled to room temperature. 17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß Magnesium im Überschuß eingesetzt wird, um den Verlust dieses Elementes durch Verdampfung zu ersetzen.17. The method according to claim 15 or 16, characterized in that magnesium is in excess is used to replace the loss of this element through evaporation. 18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß alle Verfahrensschritte oberhalb Raumtemperatur in Edelgas, Vakuum oder einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt werden.18. The method according to any one of claims 15 to 17, characterized in that all process steps above room temperature in noble gas, vacuum or a reducing atmosphere be performed. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze einem Rüttelvorgang unterzogen wird.19. The method according to any one of claims 15 to 18, characterized in that the melt is subjected to a shaking process. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Dotierungsmittels während des Schmelzens zugesetzt wird.20. The method according to any one of claims 15 to 19, characterized in that at least a portion of the dopant is added during melting. 21. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die feinpulverisierte Mischung der intermetallischen Verbindungen mit dem Dotierungsmittel heiß oder kalt gepreßt und anstelle der Schmelzbehandlung anschließend gesinteri wird.21. The method according to claim 16, characterized in that the finely powdered mixture the intermetallic compounds with the dopant hot or cold pressed and instead the melt treatment is then sintered. 22. Verwendung einer Legierung der Zusam mensetzung nach den Ansprüchen 1 bis 5, vor zugsweise in Form eines Einkristalls nach An spruch 6, und/oder dotiert nach einem der An Sprüche 7 bis 14 und/oder hergestellt nach einen der Ansprüche 15 bis 21 als aktiver Werkstoff zu Herstellung von Einrichtungen zur unmittelbare) thermoelektrischen Energieumwandlung.22. Use of an alloy of the composition according to claims 1 to 5, before preferably in the form of a single crystal according to claim 6, and / or doped according to one of the claims Proverbs 7 to 14 and / or produced according to one of claims 15 to 21 as an active material Manufacture of devices for direct) thermoelectric energy conversion. 23. Verwendung einer Legierung der Zusam23. Use of an alloy of composition menseizung nach Anspruch 2 oder 5, eventuell in worin
Form eines Einkristalls nach Anspruch 6 und/
Menseizung according to claim 2 or 5, possibly in wherein
Shape of a single crystal according to claim 6 and /
oder dotiert nach Anspruch 7 oder 8 und/oder β - die Thermokraft,or doped according to claim 7 or 8 and / or β - the thermal force, hergestellt nach einem der Ansprüche 15 bis 21, σ = die elektrische Leitfähigkeit,produced according to one of claims 15 to 21, σ = the electrical conductivity, als Werkstoff für den negativen Zweig von Vor- 5 λ = die Wärmeleitfähigkeit
richtungen zur unmittelbaren thermoelektrischen
as material for the negative branch of Vor 5 λ = the thermal conductivity
directions to the immediate thermoelectric
Energieumwandlung. Der Gütegrad einer thermoelektrischen Vorrich-Energy conversion. The quality of a thermoelectric device 24. Verwendung einer Legierung der Zusam- tung wird somit vom zweiten Hauptsatz der Thermomensetzung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dynamik und der Gütezahl beherrscht
eventuell in Form eines Einkristalls nach An- io Zur Herstellung von thermoelektrischen Vorrichspruch 6 und/oder dotiert nach einem der An- tungen sind bereits zahlreiche Stoffe entwickelt worsprüche 9 bis 14 und/oder hergestellt nach einem den. Im allgemeinen gehören sie zur Klasse der HaIbder Ansprüche 15 bis 21, als Werkstoff für den leiter. Sie sind entweder einfache metallische EIepositiven Schenkel von Vorrichtungen zur unmit- mente, wie Silicium und Germanium oder Legieruntelbaren thermoelektrischen Energieumwandlung. 15 gen oder intermetallische Verbindungen davon. Von
24. The use of an alloy of the composition is thus governed by the second law of thermometallic composition according to one of claims 3 to 5, dynamics and the figure of merit
possibly in the form of a single crystal according to anio For the production of thermoelectric device 6 and / or doped according to one of the statements, numerous substances have already been developed according to claims 9 to 14 and / or manufactured according to one of the. In general, they belong to the class of half of claims 15 to 21, as a material for the conductor. They are either simple metallic egg-positive legs of devices for immediate use, such as silicon and germanium, or alloy-independent thermoelectric energy conversion. 15 gene or intermetallic compounds thereof. from
der letzteren Gruppe sollen die Verbindungen Wismuttellurid, AntimonteUurid, Germaniumtellurid, Bleitellurid, SUberantimontellurid, Bleiselenid, Wismutselenid usw., sowie Mischungen und feste Lösun-the latter group should contain the compounds bismuth telluride, antimonyuride, germanium telluride, Lead telluride, superantimony telluride, lead selenide, bismuth selenide etc., as well as mixtures and solid solutions ao gen dieser und anderer Verbindungen erwähnt werden. Hierzu wird auf folgende Literaturstellen verwiesen: USA.-Patentschriften 3 434 203, 3 285 017, 3279954, 3053923, 3278108, 3249404, 3414405, 3393054, 3059040, 3071495, 3208 878, 3201227,this and other compounds may also be mentioned. For this, reference is made to the following literature: U.S. Patents 3,434,203, 3,285,017, 3279954, 3053923, 3278108, 3249404, 3414405, 3393054, 3059040, 3071495, 3208 878, 3201227, Die Methoden, die zur direkten unmittelbaren Um- »5 2990439, 302G32* 2«57937, 3310493, 3228805, Wandlung von Energie verwendet werden, bedienen 3129117, 3080441, 3075031, 3232719, 3460996, sich verschiedener physikalischer Eigenschaften. Sie 3373061, 3321336, 3208835, 3224876, 3201235, werden im allgemeinen als »unmittelbare Energieum- 3 279 955, 3 070 644, 2 995 613, 3 256 699, 3 249 469, Wandlung« bezeichnet. Eine dieser Methoden ist die, 3073 883, 3045057, 3021378, 2977400, 3261 721, welche die thermoelektrischen Eigenschaften der 30 3364014, 3061 657, 3005861, 3018312, 3 110629 Stoffe nutzbar macht, nämlich den Seebeck- bzw. und 3054842 und die folgenden Bücher: A.F.Joffe, Peltier-Effekt. Sie wird deshalb als »unmittelbare »Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric thermoelektrische Energieumwandlung« bezeichnet. Cooling«, Infosearch Limited, London, 1957; In seiner einfachsten Form besteht ein thermoelek- R. R. Heikes and R. W. Ure (Editors), »Thermotrischer Energieumwandler grundsätzlich aus zwei 35 electricity: Science and Engineering«, Interscience Drähten verschiedener Metalle, die in einer Verbin- Publishers, New York — London, 1961; P. H. EgIi dungssteile (Lötstelle) miteinander verbunden sind. (Editor), »Thermoelectricity«, John Wiley, New Aufgrund der unterschiedlichen Elektronenaustritts- York, 1960; und G. W. Sutton, »Direct Energy arbeit fließt ein elektrischer Strom (physikalische Conversion«, McGraw-Hill, New York, 1966.
Stromrichtung) vom Metall geringerer Austrittsarbeit 40 Keiner dieser Stoffe besitzt jedoch einen Gütegrad zum Metall höherer Austrittsarbeit. Die beiden der Umwandlung der thermischen Energie in elek- »Schenkel« laden sich demgemäß unterschiedlich auf. trische Energie von mehr als 10 %>. Infolgedessen Werden diese Schenkel an ihrem freien Ende eben- kommt die Anwendung von Vorrichtungen zur therfalls verbunden, so fließt in den so gebildeten Ring moelektrischen Energieumwandlung für die Erzeukein Strom, da an den beiden Verbindungsstellen 45 g"ng größerer Mengen Elektrizität zur Zeit nicht in Ströme entgegengesetzter Richtung erzeugt werden, Frage. Neben einer zu niedrigen Gütezahl können die sich gegenseitig aufheben. Wird nun eine Verbin- diese Stoffe außerdem den Nachteil aufweisen, daß dungsstelle erwärmt, so wird an dieser Verbindungs- sie bei hohen Temperaturen nicht verwendet werden stelle der Elektronenübergang erleichtert, weshalb können, da sie einen zu niedrigen Schmelzpunkt in diesem Ring ein Strom fließt. Wird einer der 50 haben oder bei diesen Temperaturen eigenleitend Schenkel aufgeschnitten, so kann an den beiden werden.
The methods that are used for the direct conversion of energy, 3129117, 3080441, 3075031, 3232719, 3460996, make use of various physical properties. They 3373061, 3321336, 3208835, 3224876, 3201235, are generally referred to as "immediate energy conversion" 3 279 955, 3 070 644, 2 995 613, 3 256 699, 3 249 469, conversion ". One of these methods is the, 3073 883, 3045057, 3021378, 2977400, 3261 721, which utilizes the thermoelectric properties of the 30 3364014, 3061 657, 3005861, 3018312, 3 110629 substances, namely the Seebeck and 3054842 and the following Books: AFJoffe, Peltier Effect. It is therefore referred to as "immediate" Semiconductor Thermocouples and Thermoelectric thermoelectric energy conversion ". Cooling ", Infosearch Limited, London, 1957; In its simplest form, a thermoelectronic system consists of two RR Heikes and RW Ure (Editors), »Thermotrischer Energieumwandler, basically two 35 electricity: Science and Engineering«, Interscience wires of different metals, which are combined in one connection. Publishers, New York - London, 1961; PH leveling parts (soldering point) are connected to one another. (Editor), "Thermoelectricity", John Wiley, New Due to the Different Electron Exit York, 1960; and GW Sutton, "Direct Energy Work An Electric Current Flows (Physical Conversion," McGraw-Hill, New York, 1966.
Current direction) from metal with lower work function 40 However, none of these substances has a quality grade for metal with higher work function. The two of the conversion of thermal energy into electrical "legs" are accordingly charged differently. tric energy of more than 10%>. As a result, if these legs are connected at their free end as well as the use of devices for otherwise, no current flows into the ring formed in this way for the generation of moelectric energy conversion, since at the two connection points 45 g " n g larger amounts of electricity are currently not in Currents in opposite directions are generated, question. In addition to a figure of merit that is too low, they can cancel each other out. If a connection now also has the disadvantage that the connection point is heated, then at this connection it is not used at high temperatures Electron transfer facilitates, which is why a current flows in this ring because it has a melting point that is too low.
Enden nutzbare Energie entnommen werden. Der Erfindung lag nunmehr die Aufgabe zugrunde,Usable energy can be extracted from the ends. The invention was now based on the object Der Gütegrad der Energieumwandlung einer der- Legierungen zu schaffen, welche eine Verringerung artigen Vorrichtung hängt ab: der obenerwähnten Nachteile ermöglichen.The grade of energy conversion of one of the alloys to create which is a reduction like device depends on: allow the disadvantages mentioned above. 55 Gemäß der Erfindung wird also eine Legierung55 According to the invention, there is thus an alloy 1. von der Temperaturdifferenz zwischen der hei- geschaffen, die aus 20 bis 60 Molprozent Mg2Si, ßen Verbindungsstelle und der kalten Verbin- 20 bis 40 Molprozent Mg2Ge und 10 bis 40 Moldungsstelle und prozent Mg2Sn besteht.1. created by the temperature difference between the hot, which consists of 20 to 60 mol percent Mg 2 Si, ßen junction and the cold junction, 20 to 40 mol percent Mg 2 Ge and 10 to 40 mol percent and percent Mg 2 Sn. 2. von den physikalischen Eigenschaften der Stoffe, Diese Legierungen besitzen ungefähr folgende die zur Herstellung des positiven bzw. negativen 60 Eigenschaften:2. From the physical properties of substances, these alloys possess roughly the following those for the production of the positive or negative 60 properties: Schenkels der Vorrichtung benutzt werden.Leg of the device are used. Schmelzpunkt 1000° CMelting point 1000 ° C Die Eignung irgendeines Stoffes zur thermoelektri- Verbotener Energiebandabstand ... 0,6 eVThe suitability of any substance for thermoelectri- Forbidden energy band gap ... 0.6 eV sehen Energieumwandlung wird durch eine Größe, 6 see energy conversion is through a quantity, 6 die man thermoelektrische Gütezahl Z nennt, wieder- 65which is called the thermoelectric figure of merit Z, again 65 gegeben. Die Formel für die Gütezahl lautet: Diese Eigenschaften stellen sicher, daß das Material bis zu einer Heißlötstellentemperatur von 800° C Z = C2OlX, und sogar 9000C verwendet werden kann. Darausgiven. The formula for the figure of merit is: These properties ensure that the material can be used up to a Heißlötstellentemperatur of 800 ° C Z = C 2 OLX, and even 900 0 C. From it
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