Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Влияние условий получения твердого раствора n-Bi2Te2,4Se0,6, легированного Hg2Cl2, на его термоэлектрические свойства

https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.01-06.93-105

Полный текст:

Аннотация

Теллурид висмута и соединения на его основе являются главными материалами для производства термоэлементов pи n-типа, работающих в области низких температур. Изделия на основе теллурида висмута и его соединений серийно выпускаются промышленностью. Для того чтобы улучшить термоэлектрические характеристики материалов и повысить КПД изделий, необходимо вносить изменения в отлаженный технологический процесс, что может быть связано с существенными трудностями. В связи с этим актуальной является задача повышения термоэлектрической добротности теллурида висмута при минимальных изменениях технологического процесса его получения. Один из вариантов решения этой задачи заключается в оптимизации параметров процесса горячего прессования. В работе исследовано влияние параметров процесса горячего прессования (давления прессования и времени выдержки под давлением) на термоэлектрические свойства твердого раствора Bi2Te2,4Se0,6 n-типа проводимости, легированного каломелью Hg2Cl2. Образцы были получены по технологии порошковой металлургии, включающей синтез материала с последующим горячим прессованием. Установлено, что увеличение времени выдержки образца под давлением в процессе горячего прессования приводит к существенному изменению электрических свойств вследствие увеличения концентрации носителей заряда и их подвижности: коэффициент термо-ЭДС уменьшается в среднем на 3,5 %, электропроводность возрастает более чем на 12 %. Теплопроводность при этом практически не меняется, так как рост электронной составляющей теплопроводности, связанный с ростом концентрации носителей заряда, компенсируется уменьшением фононной составляющей. В результате термоэлектрическая добротность возрастает на 3,7 %. Увеличение времени выдержки с одновременным повышением давления прессования увеличивает только подвижность носителей заряда, их концентрация не меняется, поэтому коэффициент термо-ЭДС остается без изменений, электропроводность возрастает на 3,0 %. Теплопроводность снижается на 5,3 % вследствие слабого изменения электронной составляющей (в сравнении с предыдущим режимом получения) при существенном уменьшении фононной составляющей. В результате термоэлектрическая добротность возрастает на 10,0 %. Таким образом, условия получения теллуридов висмута n-типа значительно влияют на их термоэлектрические свойства, подбор оптимального режима горячего прессования позволяет повысить термоэлектрическую добротность, не меняя основные этапы технологического цикла.

Об авторах

А. А. Гребенников
Воронежский государственный технический университет
Россия

Гребенников Anton Grebennikov, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией базового научно-образовательного центра «Физика и техника термоэлектрических явлений»

SPIN: 9203-4590

д. 14, Московский просп., Воронеж, 394026



А. И. Бочаров
Воронежский государственный технический университет
Россия

Алексей Игоревич Бочаров, ведущий инженер базового научно-образовательного центра «Физика и техника термоэлектрических явлений»

SPIN: 5676-1205

д. 14, Московский просп., Воронеж, 394026



В. А. Макагонов
Воронежский государственный технический университет
Россия

Владимир Анатольевич Макагонов, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник кафедры физики твердого тела 

SPIN: 3823-2576 

д. 14, Московский просп., Воронеж, 394026



Список литературы

1. РИФ – Термоэлектрические генераторы Электронный ресурс – Режим доступа: www.rifcorp.ru/products/termoelektricheskie-generatory – (Дата обращения: 07.11.2019.).

2. Криотерм – Термоэлектрический генератор ГТЭГ Электронный ресурс – Режим доступа: kryothermtec.com/ru/thermoelectric-generator-gteg.html – (Дата обращения: 07.11.2019.).

3. Термоинтэх – Генератор Термоэлектрический для нефтегазовой отрасли Электронный ресурс – Режим доступа: thermointech.ru/products/generatortermoelektricheskiy-gte – (Дата обращения: 07.11.2019.).

4. Гольцман, Б.М. Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе Bi2Te3 / Б.М. Гольцман, В.А. Кудинов, И.А. Смирнов. – М.: Наука, 1972. – 320 с. 5 Eibl, O. Thermoelectric Bi2Te3 nanomaterials / O.Eibl et al.. – Wiley – VCH, Weinheim, 2015. – 317 p.

5. Maciá-Barber, E. Thermoelectric Materials: Advances and Applications / E. Maciá-Barber. – CRC Press, Florida, 2015. – 364 p.

6. Rowe, D.M. Thermoelectrics / D.M. Rowe. – CRC Press, 1995. – 701 p.

7. Riffat, S. Thermoelectrics: a Review of Present and Potential Applications / S. Riffat, X. Ma // Applied Thermal Engineering. – 2003. – Vol. 23. – Р. 913–935.

8. Heremans, J.P. Low-Dimensional Thermoelectricity / J.P. Heremans // Acta Physica Polonica A. – 2005. – Vol. 108. – No. 4. – P. 609–634.

9. Ezzahri, Y. Comparison of Thin Film Microrefrigerators Based on Si/SiGe Superlattice and Bulk SiGe / Y. Ezzahri et al. // J. Microelectronics. – 2008. – Vol. 39. – P. 981–991.

10. Venkatasubramanian, R. Thin-film Thermoelectric Devices with High Room-temperature Figures of Merit / R. Venkatasubramanian et al. // Nature. – 2001. – Vol. 431. – P. 597–602.

11. Venkatasubramanian, R. MOCVD of Bi2Te3, Sb2Te3 and Their Superlattice Structures for Thin-film Thermoelectric Applications / R. Venkatasubramanian et al. // Journal of Crystal Growth. – 1997. – Vol. 170. – P. 721–817.

12. Funahashi, R. Thermoelectric properties of Pband Ca-doped (Bi2Sr2O4)xCoO2 whiskers / R. Funahashi, I.Matsubara // Appl. Phys. Lett. – 2001. – Vol. 79. – No.3. – P. 362–365.

13. Булат, Л.П. Влияние туннелирования на термоэлектрическую эффективность объемных наноструктурированных материалов / Л.П. Булат, Д.А. Пшенай-Северин // Физика твердого тела. – 2010. – T. 52. – Вып. 3. – C. 452–458.

14. Lin, H. Nanoscale clusters in the high performance thermoelectric AgPbmSbTem+2/ H. Lin et al. // Phys. Rev. B. – 2005. – Vol. 72. – No. 174113. – P. 1–7.

15. Harman, T. Quantum Dot Superlattice Thermoelectric Materials and Devices / T. Harman et al. // Science. – 2002. – Vol. 297. – P. 2229–2232.

16. Tavkhelidze, A. Large enhancement of the thermoelectric figure of merit in a ridged quantum well / A. Tavkhelidze // Nanotechnology. – 2009. – Vol. 20. – No. 405401. – P. 6.

17. Boukai, A. Silicon Nanowires as Efficient Thermoelectric Materials / A. Boukai et al. // Nature Letters. – 2008. – Vol. 451. – P. 168–171.

18. Hochbaum, A. Enhanced Thermoelectric Performance of Rough Silicon Nanowires / A. Hochbaum et al. // Nature Letters. – 2008. – Vol. 451. – P. 163–167.

19. Keyani, J. Assembly and Measurement of a Hybrid Nanowire-bulk Thermoelectric Device / J. Keyani, A.M. Stacy // Appl. Phys. Lett. – 2006. – Vol. 89. – P. 233106.

20. Шевельков, А.В. Химические аспекты создания термоэлектрических материалов / А.В. Шевельков // Успехи химии. – 2008. – Т. 77. – № 1. – С. 3–21.

21. Trawinski, B. Structure and thermoelectric properties of bismuth telluride-Carbon composites / B. Trawinski, et al. // Materials Research Bulletin. – 2018. – Vol. 99. – P. 10–17.

22. Bark, H. Effect of multiwalled carbon nanotubes on the thermoelectric properties of a bismuth telluride matrix / H. Bark et al. // Current Applied Physics. – 2013. – Vol. 13. – P. S111–S114.

23. Кульбачинский, В.А. Термоэлектрические свойства нанокомпозитов теллурида висмута с фуллеренами / В.А. Кульбачинский et al. // Физика и техника полупроводников. – 2011. – Т. 45. – Вып. 9. – С. 1241–1245.

24. Иванова, Л.Д. Термоэлектрические свойства твердого раствора Bi2Te2.4Se0.6 различного гранулометрического состава / Л.Д. Иванова и др. // Физика и техника полупроводников. – 2017. – Т. 51. – Вып. 8. – С. 1044–1047.

25. Драбкин, И.А. Термоэлектрические свойства материала на основе (Bi,Sb)2Te3, полученного методом искрового плазменного спекания / И.А. Драбкин и др. // Материалы электронной техники. – 2012. – № 3. – С. 18–21.

26. Bhame, S.D. Enhanced thermoelectric performance in spark plasma textured bulk n-type BiTe2.7Se0.3 and p-type Bi0.5Sb1.5Te3 / S.D. Bhame et al. // Appl. Phys. Lett. – 2013. – Vol. 102. – P. 211901.

27. Xie, W. High performance Bi2Te3 nanocomposites prepared by single-element-meltspinning spark-plasma sintering / W. Xie et al. // J Mater Sci. – 2013. – Vol. 48. – P. 2745–2760.

28. Hu, L.P. Improving thermoelectric properties of ntype bismuth–telluride-based alloys by deformation-induced lattice defects and texture enhancement / L.P. Hu et al. // Acta Materialia. – 2012. – Vol. 60. – P. 4431–4437.

29. Zhai, R. Enhancing Thermoelectric Performance of n-type Hot Deformed Bismuth-Telluride-Based Solid Solutions by Non-stoichiometry Mediated Intrinsic Point Defects / R. Zhai et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. – 2017. – Vol. 9. – P. 28577–28585.

30. Kim, D.H. Influence of powder morphology on thermoelectric anisotropy of spark-plasma-sintered Bi–Te-based thermoelectric materials / D.H. Kim et al. // Acta Materialia. – 2011. – Vol. 59. – P. 405–411.

31. Han, M.K. Thermoelectric Properties of Bi2Te3: CuI and the Effect of Its Doping with Pb Atoms / M.K. Han et al. // Materials. – 2017. – Vol. 10. – P. 1235.

32. Ge, Z.H. Enhanced thermoelectric properties of bismuth telluride bulk achieved by telluride-spilling during the spark plasma sintering process / Z.H. Ge et al. // Scripta Materialia. – 2018. – Vol. 143. – P. 90–93.

33. Стильбанс, Л.С. Физика полупроводников / Л.С. Стильбанс. – М.: Советское радио, 1967. – 452 с.

34. Иоффе, А.Ф. Физика полупроводников / А.Ф. Иоффе. – М.: Изд-во АН СССР, 1957. – 494 с.

35. Ансельм, А.И. Введение в теорию полупроводников / А.И. Ансельм. – М.: Наука, 1978. – 616 с.

36. Hao, F. High efficiency Bi2Te3-based materials and devices for thermoelectric power generation between 100 and 300 ºC / F. Hao et al // Energy Environ. Sci. – 2016. – Vol. 9. – P. 3120–3127.

37. Sheng, S.L. Semiconductor physical electronics / S.L. Sheng. – Springer, 2006. – 697 p.

38. Tritt, T.M. Thermoelectric Phenomena, Materials and Applications / T.M. Tritt // Annu.Rev.Mater.Res. – 2011. – Vol. 41. – P. 433–448.

39. Snyder, G. Complex thermoelectric materials / G. Snyder // Nature Materials. – 2008. – Vol. 7 – P. 105–114.

40. Белоногов Е.К. Влияние фотонной обработки на структуру и субструктуру термоэлектрического материала Bi2Te3-хSeх / Е.К. Белоногов и др. // Перспективные материалы. – 2019. – № 12. – С. 31–38.


Для цитирования:


Гребенников А.А., Бочаров А.И., Макагонов В.А. Влияние условий получения твердого раствора n-Bi2Te2,4Se0,6, легированного Hg2Cl2, на его термоэлектрические свойства. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2020;(1-6):93-105. https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.01-06.93-105

For citation:


Grebennikov A.A., Bocharov A.I., Makagonov V.A. Influence of Production Conditions on Thermoelectric Properties of n-Bi2Te2.4Se0.6 Doped with Hg2Cl2. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2020;(1-6):93-105. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.01-06.93-105

Просмотров: 129


ISSN 1608-8298 (Print)