Влияние глубины зоны тяжелых дырок на термоэлектрические характеристики сильно легированного p-PbTe / Дмитриев А.В.
Year: 2019
Type: article
Abstract: Твердотельные термоэлектрические преобразователи имеют целый ряд преимуществ перед традиционными, в числе которых простота конструкции, отсутствие движущихся частей, бесшумность работы, высокая надёжность, возможность уменьшения размеров устройства без потери эффективности. Они могут быть использованы также и для обратного преобразования и применяются в экологически чистых устройствах охлаждения. Хотя их эффективность в настоящее время и уступает традиционным устройствам генерации электрической энергии, тем не менее область их применения весьма щирока [1]. Для высокотемпературных термоэлектрических применений одним из лучших материалов является теллурид свинца и сплавы на его основе. Их термоэлектрическая эффективность ZT обыкновенно достигает 0.7 при T = 700—800 K [1]. В последнее время появились указания на заметное возрастание ZT теллурида свинца p-типа при повышении концентрации акцепторной примеси, причём выяснилось, что большую роль в этом возрастании играют возникающие тяжёлые дырки в глубокой Σ-зоне [2]. Поскольку глубина этой зоны определена не вполне точно, имеет смысл провести расчёты при разных её значениях. В настоящей работе теоретически исследованы термоэлектрические свойства p-PbTe при высоком уровне акцепторного легирования 5 · 1019—4 · 1020 см−3 в диапазоне температуры от 300 до 900 К и глубине зоны тяжелых дырок от 0.36 до 0.7 эВ. В расчетах использована трёхзонная непараболическая модель электронного энергетического спектра PbTe [3,4], включающая зоны легких электронов и дырок в L-точках зоны Бриллюэна и зону тяжелых дырок с экстремумами в Σточках. Рассчитан полный комплект термоэлектрических величин p-PbTe в указанных диапазонах изменения параметров. Величина термоэлектрической эффективности Z оказалась весьма чувствительна к уровню легирования, увеличиваясь в 1.5 раза при возрастании концентрации примеси с 1 · 1019 до 5 · 10 19 см−3 , причем наибольшее значение Z отвечает Na = 1 · 1020 − 2 · 1020 см−3 . Изменение глубины зоны тяжелых дырок приводит к заметному смещению положения максимума Z по оси температуры без существенного изменения величины Z в максимуме. Температура, при которой наблюдается максимум Z, близко коррелирует с той, при которой вершина зоны легких дырок в своём температурном движении пересекает уровень Ферми. Максимальная найденная величина ZT равняется 1.64. При глубине зоны тяжелых дырок 0.5 эВ наши расчеты хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными [5].
Language: Russian
Subfield: Materials Chemistry
Field: Materials Science
Domain: Physical Sciences
Open Access status: bronze
OpenAlex ID: W4235142247