Термоэлектрические преобразователи энергии на основе сильнолегированных полупроводников GeSi и соединений MnSi / Дорохин М.В., Кузнецов Ю.М., Демина П.Б., Ерофеева И.В., Здоровейщев А.В., Болдин М.С., Ланцев Е.А., Попов А.А.
Year: 2019
Type: article
Abstract: Термоэлектрические материалы являются автономными, компактными, бесшумными источниками электроэнергии, их работа основана на нагреве, следовательно, они могут использовать «бросовое» тепло, выделяющееся в результате технологических или бытовых процессов [1]. Проблемой термоэлектриков является низкий КПД, величина которого характеризуется параметром ZT: ZT=α2·Т/ρ λ, (1) где α – коэффициент Зеебека, ρ – удельное сопротивление, λ – коэффициент теплопроводности, Т – средняя температура. Перспективным способом повышения ZT является наноструктурирование [1]. Для объёмных материалов оно осуществляется путём создания термоэлектриков с ультрамелкозернистой поликристаллической структурой. Такой подход обусловливает снижение λ – за счёт рассеяния фононов на границах зёрен. Кроме того, варьирование размера зерна на нанометровом масштабе даёт дополнительные степени свободы для оптимизации других параметров, входящих в формулу ZT. Настоящая работа посвящена синтезу и исследованию термоэлектрических материалов на основе твёрдых растворов GexSi1-x и соединений высшего силицида марганца (MnSi1,73). Образцы получены методом электроимпульсного плазменного спекания (ЭИПС) на установке DR SINTER SPS-625. Метод ЭИПС предоставляет широкие возможности синтеза наноматериалов и управления размером зерна в них варьированием параметров спекания (скорости нагрева, температуры, длительности изотермической выдержки, давления пресса). В процессе ЭИПС спекались порошки, содержащие Ge (35 ат. %) и Si (65 ат. %) для синтеза GeхSi1-х , и содержащие Si (62 ат. %) и Mn (38 ат. %) для синтеза MnSi1,73. Для GeSi термоэлектриков впервые исследовано влияние легирования атомами Sb в процессе спекания на термоэлектрические свойства. Для этого в исходные порошки Ge-Si добавлялась сурьма в количестве 0,5-5 ат. %. В процессе спекания для выбранных режимов (температура 1000 С) осуществляется взаимная диффузия Ge и Si, а также диффузия Sb в частицы твёрдого раствора. Введение Sb в концентрации 0,5 ат. % позволяет сформировать сильнолегированный полупроводник, что проявляется в значительном снижении удельного сопротивления по сравнению с нелегированным материалом (до 2,5·10-5 Ом·м). Коэффициент ZT составил 0,32 при 400 С, что сопоставимо с аналогами [2]. Увеличение концентрации примеси выше 1 ат.% приводит к сегрегации Sb в 100 нм кластеры (по данным электронной микроскопии), что сопровождается повышением сопротивления и снижением ZT. Для структур на основе MnSi1,73 установлено, что в ходе разогрева порошка при спекании происходит твердофазная реакция с образованием соединения моносилицида марганца (MnSi). Наличие фазы MnSi приводит к снижению термоэлектрических характеристик, в первую очередь, величины ZT. Наибольшее значение ZT было получено в материале с наименьшим содержанием фазы MnSi.
Language: Russian
Subfield: Materials Chemistry
Field: Materials Science
Domain: Physical Sciences
Open Access status: bronze
OpenAlex ID: W4253398351