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http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/76596
標題: | Bi2Te3及Zn4Sb3熱電模組之微結構與擴散阻障層研究 Microstructure and Diffusion Barrier of Bi2Te3 and Zn4Sb3 Thermoelectric Modules |
作者: | Hao-Peng Cheng 鄭皓蓬 |
指導教授: | 莊東漢 |
關鍵字: | 熱電材料,擴散阻障層,微結構,界面反應,介金屬化合物, Thermalelectronic materials,Diffusion barrier,Microstructure,Interface reaction,Intermetallic compound, |
出版年 : | 2017 |
學位: | 碩士 |
摘要: | 非再生能源佔地球上能源消耗之絕大部份,在有限的資源下非再生能源將日益枯竭,為減緩地球資源消耗以及改善人類使用能源的情形,因此綠色能源逐漸受到重視,利用其再生且環保之特色取代非再生能源的使用,熱電材料為其中之一,利用外在環境之溫度差異經由熱電材料本身特性將溫差產生之熱能轉換為電能以達到工業廢熱回收之目的,然而目前商業化熱電模組以Bi2Te3熱電模組為主要產品,其有效工作範圍低於100 ℃,對於更高溫的工業製造溫度環境下因無相對應熱電模組織建立而無法使用熱電材料進行能源再生,為提高熱電材料運作溫度以達到高溫廢熱回收,本研究對於Bi2Te3熱電模組微結構進行探討,瞭解高溫下熱電模組失效之肇因,提出相對應可靠之界面微結構設計,並驗證其可靠度;對於中高溫熱電材料方面,模組化首先須使用有效之擴散阻障層設計,本實驗使用SLID接合製程對於Zn4Sb3熱電材料進行擴散阻障層研究,以建立Zn4Sb3熱電模組結構設計為目標進行研究。
研究結果顯示,Bi2Te3熱電模組因使用銲錫作為接合填料,易於200 ℃發生銲料流失現象,且熱電材料與Ni阻障層間因無預鍍Sn處理導致附著性不足,經改善後以SLID接合之Bi2Te3熱電模組於200℃環境放置1000小時之微結構仍保持完整,可有效提高其工作溫度。對於Zn4Sb3熱電材料,使用結晶以及金屬玻璃之Ni-Pd薄帶進行壓接後界面反應機制不同,IMC層成長速率不一致,金屬玻璃具有擴散阻障層之可行性;針對濺鍍Ti /WTi/Ti金屬薄膜作為擴散阻障層之設計下,於350℃環境下24小時可保有界面完整性且無擴散反應發生,然而因熱膨脹係數差異過大導致接合及高溫環境下有附著性不佳及連續性不足的問題,此為長時間高溫儲存下熱電材料破損之主因。 Non-renewable resource is the most of energy consumption in the world. It will be exhausted one day. To improve the use of energy resource, sustainable energy gradually become popular. Thermoelectric material is one of them. It can produce electric energy due to temperature difference, which means transferring thermal energy to electric energy. It can be used in the industrial processing. Nowadays Bi2Te3 thermalelectronic modules are used widely. But they can only worked effectively only below 100℃. For higher temperature environment of processing, the wasted heat can not be recycled. So this investigation contains exploring microstructure of Bi2Te3 thermalelectronic modules, understanding the results of failed samples, and finally improve the working temperature. For Zn4Sb3 thermalelectronic materials, the design of diffusion barrier is the first thing to solve. We use SLID bonding processing to investigate. The goal is to build the microstructure design of Zn4Sb3 thermalelectronic moduals. The results shows that using solders for bonding of Bi2Te3 thermalelectronic modules leads interface to be failed at 200℃. The coating of Ni diffusion barrier can not engage perfectly with Bi2Te3. Using SLID bonding processing can maintain the microstructure of Bi2Te3 thermalelectronic modules at 200℃ for 1000 hours. On the other hand, Zn4Sb3 materials react with Ni-Pd crystal and metallic glass shows different interface reactions. For Sputtering Ti/WTi/Ti thin film as diffusion barrier for Zn4Sb3 thermalelectronic materials, the interface is failed due to thermal expansion when bonding in high temperature. Finally, it can maintain the microstructure at 350℃for 24 hours without interface reaction. |
URI: | http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/76596 |
DOI: | 10.6342/NTU201700802 |
全文授權: | 未授權 |
顯示於系所單位: | 材料科學與工程學系 |
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