Получение и исследование нанодисперсных порошков термоэлектрических материалов

Наноструктурирование термоэлектрических материалов (ТЭМ), полученных компактированием нанодисперсных порошков, является эффективным способом увеличения их термоэлектрической добротности за счет снижения фононной теплопроводности. Установлены оптимальные размеры структурных элементов наноструктурированных ТЭМ в интервале 10—100 нм, эффективно рассеивающих фононы со средней длинной свободного пробега, которые определяют максимальный вклад в процессы теплопереноса. Представлены способы и режимы синтеза, получены ТЭМ на основе: Bi₂Te₃; Sb₂Te₃; PbTe; GeTe и SiGe. Разработана технология получения нанодисперсных порошков ТЭМ с использованием шаровой планетарной мельницы. Определены оптимальные условия помола ТЭМ: диаметр размольных шаров 5 мм; соотношение массы шаров и ТЭМ 10 : 1; скорость вращения планетарного диска шаровой мельницы 400 об/мин; время помола 50 мин. Получены нанодисперсные порошки указанных ТЭМ. С помощью просвечивающей электронной микроскопии исследованы фазовый состав, тонкая структура и величина микродеформаций полученных нанодисперсных порошков ТЭМ. Установлено, что при разном времени помола порошков параметры решетки и, соответственно, состав ТЭМ не изменяются. Значения микродеформаций, вызванных механическим воздействием на ТЭМ, с увеличением времени помола порошков изменяются незначительно. Для всех исследованных ТЭМ, кроме PbTe, достигнуты минимальные размеры областей когерентного рассеяния в порошках на уровне 14—29 нм. Для PbTe эти размеры значительно больше и составили 84—87 нм. 

1. Sherchenkov A.A., Shtern Yu.I., Mironov R.E., Shtern M.Yu., Rogachev M.S. Current state of thermoelectric material science and the search for new effective materials. Nanotechnologies in Russia. 2015; 10(11–12): 827—840. https://doi.org/10.1134/S1995078015060117

2. Zhao L.G., Lo S.H., Zhang Y.S., Sun H., Tan G.J., Uher C., Wolverton C., Dravid V.P., Kanatzidis M.G. Ultralow thermal conductivity and high thermoelectric figure of merit in SnSe crystals. Nature. 2014; 508: 373–378. https://doi.org/10.1038/nature13184

3. Новицкий А.П., Ховайло В.В., Мори Т. Современные разработки и достижения в области термоэлектрических материалов на основе BiCuSeO. Российские нанотехнологии. 2021;16(3): 324—338. https://doi.org/10.1134/S1992722321030158

4. Shtern M., Rogachev M., Shtern Y., Sherchenkov A., Babich A., Korchagin E., Nikulin D. Thermoelectric properties of efficient thermoelectric materials on the basis of bismuth and antimony chalcogenides for multisection thermoelements. Journal of Alloys and Compounds. 2021; 877: 160328—160341. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160328

5. Симкин А.В., Бирюков А.В., Репников Н.И., Ховайло В.В. Термоэлектрическая эффективность низкотемпературных генераторных материалов, возможности ее повышения. Вестник Челябинского государственного университета. 2015; (7(362)): 21—29.

6. Иванов А.А., Каплар Е.П., Прилепо Ю.П., Муравьев В.В., Устинов В.С. Прогресс в исследованиях перспективных высокоэффективных термоэлектрических материалов. Российские нанотехнологии. 2021; 16(3): 296—310. https://doi.org/10.1134/S1992722321030067

7. Dmitriev A.V., Zvyagin I.P. Current trends in the physics of thermoelectric materials. Physics-Uspekhi. 2010; 53(8): 789—803. https://doi.org/10.3367/UFNe.0180.201008b.0821

8. Шабалдин А.А., Самунин А.Ю., Константинов П.П., Новиков С.В., Бурков А.Т., Bu Z., Pei Y. Влияние термической предыстории на свойства эффективных термоэлектрических сплавов Ge0.86Pb0.1Bi0.04Te. Физика и техника полупроводников. 2022; 56(3): 261—266. https://doi.org/10.21883/FTP.2022.03.52107.34

9. Иванова Л.Д., Петрова Л.И., Гранаткина Ю.В., Мальчев А.Г., Нихезина И.Ю., Никулин Д.С., Райкина О.А. Термоэлектрические свойства твердых растворов системы Sb2Te3–Bi2Te3, полученных кристаллизацией в жидкости. Неорганические материалы. 2016; 52(8): 815—821. https://doi.org/10.7868/S0002337X16080078

10. Minnich A., Dresselhaus M.S., Ren Z.F., Chen G. Bulk nanostructured thermoelectric materials: current research and future prospects. Energy and Environmental Science. 2009; 2: 466—479. https://doi.org/10.1039/B822664B

11. Lan Y., Minnich A.J., Chen G., Ren Z. Enhancement of thermoelectric figure-of-merit by a bulk nanostructuring approach. Advanced Functional Materials. 2010; 20(3): 357—376. https://doi.org/10.1002/adfm.200901512

12. Poudel B., Hao Q., Ma Y., Lan Y., Minnich A., Yu B., Yan X., Wang D., Muto A., Vashaee D., Chen X., Liu J., Dresselhaus M.S., Chen G., Ren Zh. High-thermoelectric performance of nanostructured bismuth antimony telluride bulk alloys. Science. 2008; 320(5876): 634—638. https://doi.org/10.1126/science.1156446

13. Sherchenkov A.A., Shtern Y.I., Shtern M.Y., Rogachev M.S. Prospects of creating efficient thermoelectric materials based on the achievements of nanotechnology. Nanotechnologies in Russia. 2016; 11(7-8): 387—400. https://doi.org/10.1134/S1995078016040157

14. Scheele M., Oeschler N., Meier K., Koronowski A., Klinke C., Weller H. Synthesis and thermoelectric characterization of Bi2Te3 nanoparticles. Advanced Functional Materials. 2009; 19: 3476—3483. https://doi.org/10.1002/adfm.200901261

15. Wang X.W., Lee H., Lan Y.C., Zhu G.H., Joshi G., Wang D.Z., Yang J., Muto A.J., Tang M.Y., Klatsky J., Song S., Dresselhaus M.S., Chen G., Ren Z. Enhanced thermoelectric figure of merit in nanostructured n-type silicon germanium bulk alloy. Applied Physics Letters. 2008; 93(19): 193121—193124. https://doi.org/10.1063/1.3027060

16. Zheng Y., Zhang Q., Su X., Xie H., Shu S., Chen T., Tan G., Yan Y., Tang X., Uher C., Snyder G.J. Mechanically robust BiSbTe alloys with superior thermoelectric performance: a case study of stable hierarchical nanostructured thermoelectric materials. Advanced Energy Materials. 2015; 5: 1401391—1401401. https://doi.org/10.1002/aenm.201401391

17. Tao Q., Deng R., Li J., Yan Y., Su X., Poudeu P.F.P., Tang X. Enhanced thermoelectric performance of Bi0.46Sb1.54Te3 nanostructured with CdTe. ACS Applied Materials & Interfaces. 2020; 12(23): 26330—26341. https://doi.org/10.1021/acsami.0c03225

18. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит; 2009. 416 с.

19. Гусев А.И., Курлов А. С. Аттестация нанокристаллических материалов по размеру частиц (зерен). Металлофизика и новейшие технологии. 2008; 30(5): 679—694.

20. Bogomolov D.I., Bublik V.T., Ivanov A.A., Voronov M.V., LavrentevM.G., Panchenko V.P., Parkhomenko Yu.N., Tabachkova N.Yu. Structural transformations in (Bi, Sb)2Te3 solid solutions grown by spark plasma sintering. Journal of Physics: Conference Series. 2019; 1347: 012120—012128. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1347/1/012120

21. Munir Z., 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; 41: 763—777. https://doi.org/10.1007/s10853-006-6555-2

22. Булат Л.П., Освенский В.Б., Пшенай-Северин Д.А. Влияние распределения зерен по размерам на решеточную теплопроводность наноструктурированных материалов на основе Bi2Te3–Sb2Te3. Физика твердого тела. 2013; 55(12): 2323—2330.

23. Булат Л.П., Освенский В.Б., Пархоменко Ю.Н., Пшенай-Северин Д.А. Исследование возможностей увеличения термоэлектрической эффективности в наноструктурированных материалах на основе Bi2Te3–Sb2Te3. Физика твердого тела. 2012; 54(11): 2036—2042.

24. Иванов А.А., Акчурин Р.Х., Богомолов Д.И., Бублик В.Т., Воронов М.В., Лаврентьев М.Г., Панченко В.П., Пархоменко Ю.Н., Табачкова Н.Ю. Фазовый состав и термоэлектрические свойства материалов на основе Cu2–xSe(0.03≤ x ≤0.23). Российские нанотехнологии. 2021; 16(3): 387—392. https://doi.org/10.1134/S1992722321030080

25. Rogachev M.S., Shtern M.Yu., Shtern Yu.I. Mechanisms of heat transfer in thermoelectric materials. Nanobiotechnology Reports. 2021; 16(3): 308—315. https://doi.org/10.1134/S2635167621030162

26. Nolas G.S., Sharp J., Goldsmid J. Thermoelectrics: basic principles and new materials developments. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag; 2001. 293 p.

27. Aswal D.K., Basu R., Singh A. Key issues in development of thermoelectric power generators: high figure-of-merit materials and their highly conducting interfaces with metallic interconnects. Energy Convers and Management. 2016; 114: 50–67. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.01.065

28. Zhao L.D., Wu H.J., Hao S.Q., Wu Ch., Zhou X., Biswas K., He J., Hogan T., Uher C., Wolverton C., Dravid V., Kanatzidis M. All-scale hierarchical thermoelectrics: MgTe in PbTe facilitates valence band convergence and suppresses bipolar thermal transport for high performance. Energy and Environmental Science. 2013; 6(11): 3346—3355. https://doi.org/10.1039/C3EE42187B

29. Kim H.-S., Gibbs Z.M., Tang Y., Wang H., Snyder G.J. Characterization of Lorenz number with Seebeck coefficient measurement. APL Materials. 2015; 3: 041506—041511. https://doi.org/10.1063/1.4908244

30. Shakouri A. Recent developments in semiconductor thermoelectric physics and materials. Annual Review of Materials Research. 2011; 41: 399—431. https://doi.org/10.1146/annurev-matsci-062910-100445

31. Tritt T.M. Thermal conductivity theory, properties, and applications. USA, NY: Springer US; 2004. 290 p. https://doi.org/10.1007/b136496

32. Slack G.A., Tsoukala V.G. Some properties of semiconducting IrSb3. Journal of Applied Physics. 1994; 76(3): 1665—1671. https://doi.org/10.1063/1.357750

33. Хвесюк В.И., Скрябин А.С. Теплопроводность наноструктур. Теплофизика высоких температур. 2017; 55(3): 447—471. https://doi.org/10.7868/S0040364417030127

34. Булат Л.П., Драбкин И.А., Каратаев В.В., Освенский В.Б., Пшенай-Северин Д.А. Влияние рассеяния на границах на теплопроводность наноструктурированного полупроводникового материала на основе твердого раствора BixSb2–xTe3. Физика твердого тела. 2010; 52(9): 1712—1716.

35. Булат Л.П., Драбкин И.А., Каратаев В.В., Освенский В.Б., Пшенай-Северин Д.А. Расчет теплопроводности наноструктурированного Bi2Te3 с учетом реального фононного спектра. Физика и техника полупроводников. 2017; 51(6): 729—732. https://doi.org/10.21883/FTP.2017.06.44544.03