УДК621.362; 621.315.562

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДОГО РАСТВОРА Mg2Si0,3Sn0,7 p-ТИПА, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ ГОРЯЧЕГО ПРЕССОВАНИЯ

Исаченко Г. Н., Бочков Л. В., Самунин А. Ю., Федоров М. И., Булат Л. П., Гуриева Е. А., Шик А.


Читать статью полностью 

Аннотация

Показано, что термоэлектрическое преобразование энергии, позволяющее утилизировать низкопотенциальное тепло, является одним из путей внедрения энергосберегающих технологий, причем для работы термоэлектрических генераторов необходимы полупроводниковые материалы p- и n-типа с высокой термоэлектрической добротностью. В настоящей работе исследована возможность использовать в качестве пары для хорошо изученного термоэлектрического материала на основе Mg2Si–Mg2Sn n-типа твердый раствор Mg2Si0,3Sn0,7 p-типа, в том числе имеющий наноструктуру. Разработана технологическая схема получения сильнолегированного твердого раствора Mg2Si0,3Sn0,7 p-типа путем горячего прессования из нанопорошка. Данная технология позволила сократить время получения однородного материала и улучшила его физико-химические свойства. Для исследования изготовлены образцы тремя способами: прямое сплавление, в результате которого получены поликристаллы; горячее прессование из микрочастиц; наноструктурирование, т.е. горячее прессование из наночастиц. Методом рентгеноструктурного анализа установлено, что размеры зерен в наноструктурных образцах имеют величину около 40 нм. Измерение коэффициентов электропроводности и термоЭДС осуществлено зондовым методом. Для измерения коэффициента теплопроводности использован стационарный абсолютный метод. По измеренным значениям кинетических коэффициентов в диапазоне температур 77–800 К определена термоэлектрическая добротность. Показано, что коэффициенты электропроводности, термоЭДС и фактор мощности слабо зависят от способа приготовления твердого раствора, причем теплопроводность у спрессованных из наночастиц образцов оказалась выше, чем у образцов, полученных прямым сплавлением, т.е. в данном случае наноструктурирование не привело к увеличению термоэлектрической добротности. Сделан вывод, что поликристаллический полупроводник Mg2Si0,3Sn0,7 может быть использован в качестве p-ветви термоэлектрического генератора, хоть наноструктурирование и не привело к росту добротности. Сделано предположение, что увеличения добротности можно ожидать при дальнейшем уменьшении размеров нанозерен.


Ключевые слова: термоэлектрическое преобразование энергии, термоэлектрические свойства, термоэлектрические генераторы, термоЭДС, наноструктуры, термоэлектрическая добротность, силициды, соединения магния

Список литературы
1.         NANO4TEcluster[Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.nano4te-cluster.eu/, свободный. Яз. англ. (датаобращения02.04.2014).
2.         4th Thermoelectric Conference Utilizing Waste Heat in Transport and Industry [Электронныйресурс]. Режим доступа: http://www.its.org/system/files/140311_TEG_Programm_en_V10_final.pdf, свободный. Яз. англ. (дата обращения 02.04.2014).
3.         Thermoelectric Handbook: Macro to Nano / Ed. D.M. Rowe. CRC Press, 2005. 1014 p.
4.         Zaitsev V.K., Fedorov M.I., Gurieva E.A., Eremin I.S., Konstantinov P.P., Samunin A.Yu., Vedernikov M.V. Highly effective Mg2Si1-xSnx thermoelectrics // Physical Review B. 2006. V. 74. N 4. Art. N 045207.
5.         Isoda Y., Nagai T., Fuziu H., Imai Y., Shinohara Y. Thermoelectric properties of Sb-doped Mg2Si0.5Sn0.5 / Proc. of 25th International Conference on Thermoelectrics, ICT'06. Vienna, Austria, 2006. P. 406–410.
6.         Zhang Q., He J.,Zhu T.J.,Zhang S.N., Zhao X.B., Tritt T.M. High figures of merit and natural nanostructures in Mg2Si0.4Sn0.6 based thermoelectric materials // Applied Physics Letters. 2008. V. 93. N 10. Art. N102109.
7.         ChoiS.-M.,Kim K.-H.,Kim I.-H.,Kim S.-U.,Seo W.-S. Thermoelectric properties of the Bi-doped Mg2Si system // Current Applied Physics. 2011. V.11. N3 SUPPL. P. S388–S391.
8.         Исаченко Г.Н., Зайцев В.К., Федоров М.И., Бурков А.Т., Гуриева Е.А., Константинов П.П., Ведерников М.В. Кинетические свойства твердых растворов Mg2SixSn1-x p-типа при x < 0.4 // Физика твердого тела. 2009. Т. 51. № 9. С. 1693–1696.
9.         Isoda Y.,Tada S.,Nagai T.,Fujiu H.,Shinohara Y. Thermoelectric properties of p-type Mg2.00Si0.25Sn0.75 with Li and Ag double doping // Journal of Electronic Materials. 2010. V. 39. N 9. P. 1531–1535.
10.      Fedorov M.I., Zaitsev V.K., Isachenko G.N. High effective thermoelectrics based on the Mg2Si-Mg2Sn solid solution // Diffusion and Defect Data Pt.B: Solid State Phenomena. 2011. V. 170. P. 286–292.
11.      Ma Yi., Hao Q., Poudel B., Lan Y., Yu Bo, Wang D., Chen G., Ren Z. Enhanced thermoelectric figure-of-merit in p-type nanostructured bismuth antimony tellurium alloys made from elemental chunks // Nano Letters. 2008. V. 8. N 8. P.2580–2584.
12.      Minnich A.J., Dresselhaus M.S., Ren Z.F., Chen G. Bulk nanostructured thermoelectric materials: current research and future prospects // Energy and Environmental Science. 2009. V. 2. N 5. P. 466–479.
13.      Lan Y., Minnich A.J., Chen G., Ren Z. Enhancement of thermoelectric figure-of-merit by a bulk nanostructuring approach // Advanced Functional Materials. 2010. V. 20. N 3. P. 357–376.
14.      Дмитриев А.В., Звягин И.П. Современные тенденции развития физики термоэлектрических материалов // Успехи физических наук. 2010. Т. 180. № 8.С.821–838.
15.      Bulat L.P., Pshenai-Severin D.A., Karatayev V.V., Osvenskii V.B., Parkhomenko Yu.N., Lavrentev M., Sorokin A., Blank V.D., Pivovarov G.I., Bublik V.T., Tabachkova N.Yu. Bulk nanocrystalline thermoelectrics based on Bi-Sb-Te solid solution// The Delivery of Nanoparticles / Ed. A.A. Hashim. InTech, 2012. P. 454–486.
16.      Pshenai-Severin D.A., Fedorov M.I., Samunin A.Y.The influence of grain boundary scattering on thermoelectric properties of Mg2Si and Mg2Si0.8Sn0.2 // Journal of Electronic Materials. 2013. V. 42. N 7. P. 1707–1710.
17.      Никитин Е.Н., Ткаленко Э.Н., Зайцев В.К., Заславский А.И., Кузнецов А.К. Исследование диаграммы состояний и некоторых свойств твердых растворов Mg2Si-Mg2Sn// Известия АН СССР. Неорганические материалы. 1968. Т. 4. №. 11. С. 1902–1906.
18.      Samunin A.Y., Zaitsev V.K., Konstantinov P.P.,Fedorov M.I.,Isachenko G.N.,Burkov A.T., Novikov S.V.,Gurieva E.A. Thermoelectric properties of hot-pressed materials based on Mg2SinSn1-n // Journal of Electronic Materials. 2013. V. 42.N7. P. 1676–1679.
19.      Курлов А.С., Гусев А.И. Определение размера частиц, микронапряжений и степени негомогенности в наноструктурированных веществах методом рентгеновской дифракции // Физика и химия стекла. 2007. Т. 33. № 3. С. 383–392. 
20.      Burkov A.T., Heinrich A., Konstantinov P.P., Nakama T., Yagasaki K. Experimental set-up for thermopower and resistivity measurements at 100–1300 K // Measurement Science and Technology. 2001. V. 12. N3. P. 264–272.
21.      Петров А.В. Методики измерения теплопроводности полупроводников при высоких температурах // Термоэлектрические свойства полупроводников. Сборник трудов Iи IIсовещаний по термоэлектричеству / Под ред. В.А. Кутасова. М.-Л.: Изд. АН СССР, 1963. С. 27–35.
Информация 2001-2017 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика