Особенности термоэлектрических свойств композитов на основе Bi _0,5Sb_1,5Te₃ с субмикронными включениями NiTe₂

В настоящей работе представлена результаты исследования термоэлектрических свойств (удельное электрическое сопротивление, коэффициент Зеебека, полная теплопроводность) композита, в качестве матрицы которого использован низкотемпературный термоэлектрик p-типа Bi0,5Sb1,5Te3, а в качестве наполнителя – включения полупроводника дителлурида никеля (NiTe2). Исследованные композиты были получены с использованием методов сольвотермального синтеза наполнителя NiTe2, и механохимической активации с последующим электроимпульсным спеканием матрицы Bi0,5Sb1,5Te3 и самих композитов. Установлено, что введение 1 масс. % NiTe2 в матрицу композита приводит к значительному улучшению термоэлектрической добротности ZT до 1,1 при 425 К, что на 16% выше по сравнению с материалом самой матрицы (ZT ~ 0,95). Это повышение может быть связано с эффективным рассеянием фононов на границах раздела NiTe2/Bi0,5Sb1,5Te3, что приводит к снижению полной теплопроводности, при этом фактор мощности (S2/ρ) остается достаточно высоким. Дальнейшее увеличение содержания NiTe2 до 2,5 и 5 масс. % приводит к деградации ZT в композитах, что может быть обусловлено такими особенностями их микроструктуры, как образование вторичной фазы элементного теллура, которые формируют «тепловые мостики», увеличивая тем самым теплопроводность и незначительно ухудшая электронные транспортные свойства.

1. Poudel B. et al. High-thermoelectric performance of nanostructured bismuth antimony telluride bulk alloys // Science. – 2008. – V. 320. – №. 5876. – Pp. 634-638. DOI: 10.1126/science.1156446

2. Liu C. J. et al. High thermoelectric figure-of-merit in p-type nanostructured (Bi, Sb)2Te3 fabricated via hydrothermal synthesis and evacuated-and-encapsulated sintering // Journal of Materials Chemistry. – 2012. – V. 22. – №. 11. – Pp. 4825-4831. DOI: https://doi.org/10.1039/C2JM15185E

3. Xie W. et al. High performance Bi2Te3 nanocomposites prepared by single-element-melt-spinning spark-plasma sintering // Journal of Materials Science. – 2013. – V. 48. – №. 7. – Pp. 2745-2760. DOI: 10.1007/s10853-012-6895-z

4. Mehta R. J. et al. Seebeck and figure of merit enhancement in nanostructured antimony telluride by antisite defect suppression through sulfur doping // Nano letters. – 2012. – V. 12. – №. 9. – Pp. 4523-4529. DOI: https://doi.org/10.1021/nl301639t

5. Sootsman J. R., Chung D. Y., Kanatzidis M. G. New and old concepts in thermoelectric materials // Angewandte Chemie International Edition. – 2009. – V. 48. – №. 46. – Pp. 8616-8639. DOI: https://doi.org/10.1002/anie.200900598

6. Hu C. et al. Carrier grain boundary scattering in thermoelectric materials // Energy & Environmental Science. – 2022. – V. 15. – №. 4. – Pp. 1406-1422. DOI: https://doi.org/10.1039/D1EE03802H

7. Rowe D. M. (ed.). CRC handbook of thermoelectrics. – CRC press, 1995.

8. Ferreira P. P. et al. Strain engineering the topological type-II Dirac semimetal NiTe2 // Physical Review B. – 2021. – V. 103. – №. 12. – P. 125134. DOI: 10.1103/PhysRevB.103.125134

9. Zhang L. et al. High-frequency rectifiers based on type-II Dirac fermions // Nature communications. – 2021. – V. 12. – №. 1. – P. 1584. DOI: 10.1038/s41467-021-21906-w

10. Barin I., Platzki G. Thermochemical data of pure substances. – Weinheim: VCh, 1989. – V. 304. – №. 334. – P. 1117.

11. Narducci D. K. Biswas et al., High-Performance Bulk Thermoelectrics with All-Scale Hierarchical Architectures // 200 Years of Thermoelectricity: An Historical Journey Through the Science and Technology of Thermoelectric Materials (1821-2021). – Cham: Springer International Publishing, 2024. – Pp. 307-313. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-22108-8_30

12. Arvhult C. M. et al. Thermodynamic assessment of the Ni–Te system // Journal of Materials Science. – 2019. – V. 54. – №. 16. – Pp. 11304-11319. DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-019-03689-0

13. Liu W. et al. New trends, strategies and opportunities in thermoelectric materials: A perspective // Materials Today Physics. – 2017. – V. 1. – Pp. 50-60. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2017.06.001

14. Madavali B., Kim H., Hong S. J. Reduction of thermal conductivity in Al2O3 dispersed p-type bismuth antimony telluride composites // Materials Chemistry and Physics. – 2019. – V. 233. – Pp. 9-15. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.05.023

15. Cushing B. L., Kolesnichenko V. L., O’connor C. J. Recent advances in the liquid-phase syntheses of inorganic nanoparticles // Chemical reviews. – 2004. – V. 104. – №. 9. – Pp. 3893-3946. DOI: https://doi.org/10.1021/cr030027b

16. Pradhan S. et al. Chemical synthesis of nanoparticles of nickel telluride and cobalt telluride and its electrochemical applications for determination of uric acid and adenine // Electrochimica Acta. – 2017. – V. 238. – Pp. 185-193. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.04.023

17. Suryanarayana C. Mechanical alloying and milling // Progress in materials science. – 2001. – V. 46. – №. 1-2. – Pp. 1-184. DOI: https://doi.org/10.1016/S0079-6425(99)00010-9

18. Munir Z. A., Anselmi-Tamburini U., Ohyanagi M. The effect of electric field and pressure on the synthesis and consolidation of materials: A review of the spark plasma sintering method // Journal of materials science. – 2006. – V. 41. – №. 3. – Pp. 763-777. DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-006-6555-2

19. Moon C. D. et al. Microstructure and thermoelectric properties of p-type Bi2Te3-Sb2Te3 alloys produced by rapid solidification and spark plasma sintering // Journal of Alloys and Compounds. – 2010. – V. 504. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2010.03.114

20. Guillon O. et al. Field-assisted sintering technology/spark plasma sintering: mechanisms, materials, and technology developments // Advanced Engineering Materials. – 2014. – V. 16. – №. 7. – Pp. 830-849. DOI: https://doi.org/10.1002/adem.201300409

21. Kim H. S. et al. Characterization of Lorenz number with Seebeck coefficient measurement // APL materials. – 2015. – V. 3. – №. 4. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4908244

22. Pei Y. et al. Convergence of electronic bands for high performance bulk thermoelectrics // Nature. – 2011. – V. 473. – №. 7345. – Pp. 66-69. DOI: https://doi.org/10.1038/nature09996

23. Chung F. H. Quantitative interpretation of X-ray diffraction patterns of mixtures. I. Matrix-flushing method for quantitative multicomponent analysis // Applied Crystallography. – 1974. – V. 7. – №. 6. – Pp. 519- 525. DOI: https://doi.org/10.1107/S0021889874010375

24. Smith D. K. et al. Quantitative X-ray powder diffraction method using the full diffraction pattern // Powder Diffraction. – 1987. – V. 2. – №. 2. – Pp. 73-77. DOI: https://doi.org/10.1017/S0885715600012409

25. Hulbert D. M. et al. The absence of plasma in «spark plasma sintering» // Journal of Applied Physics. – 2008. – V. 104. – №. 3. DOI: https://doi.org/10.1063/1.2963701

26. Munir Z. A., Anselmi-Tamburini U., Ohyanagi M. The effect of electric field and pressure on the synthesis and consolidation of materials: A review of the spark plasma sintering method // Journal of materials science. – 2006. – V. 41. – №. 3. – Pp. 763-777. DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-006-6555-2

27. Minnich A. J. et al. Thermal conductivity spectroscopy technique to measure phonon mean free paths // Physical review letters. – 2011. – V. 107. – №. 9. – P. 095901. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.107.095901

28. Herring C. Role of low-energy phonons in thermal conduction // Physical Review. – 1954. – V. 95. – №. 4. – P. 954. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.95.954

29. Hamilton R. L., Crosser O. K. Thermal conductivity of heterogeneous two-component systems // Industrial & Engineering chemistry fundamentals. – 1962. – V. 1. – №. 3. – Pp. 187-191. DOI: https://doi.org/10.1021/i160003a005

30. Lan Y. et al. Structure study of bulk nanograined thermoelectric bismuth antimony telluride // Nano letters. – 2009. – V. 9. – №. 4. – Pp. 1419-1422. DOI: https://doi.org/10.1021/nl803235n

31. Boz R. B., Sevik C., Turan S. The effect of spark plasma sintering parameters on the microstructure and thermoelectric properties of p-type Bi0,5Sb1,5Te3 alloys // Journal of Solid State Chemistry. – 2025. – P. 125395. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jssc.2025.125395