Тепловые и термоэлектрические свойства керамики из оксида цинка, легированной металлами

В работе изучаются тепловые, электрические и термоэлектрические свойства керамик ZnO-Me_xO_y с 1 ≤ x, y ≤ 3, где Me = Al, Co, Fe, Ni, Ti. Образцы изготавливались на основе керамической технологии спекания порошковых смесей двух или более оксидов в открытой атмосфере с вариациями температуры и продолжительности отжига. Структурно-фазовые исследования керамик указывают на то, что добавление порошков легирующих агентов Me_xO_y в порошок ZnO со структурой вюрцита после процесса синтеза приводит к выделению вторичных фаз типа шпинелей Zn_x(Mе)_yO₄ и росту пористости полученных керамик в 4 раза. Исследования теплопроводности при комнатной температуре указывают на преобладание решеточного вклада. Уменьшение теплопроводности при легировании обусловлено увеличением рассеяния фононов вследствие воздействия следующих факторов: (1) размерный фактор при замещении ионов цинка в кристаллической решетке ZnO (вюрцит) ионами металлов из добавляемых оксидов Me_xO_y; (2) образование дефектов - точечных, границ зерен (измельчение микроструктуры); (3) рост пористости (снижения плотности); и (4) формирование частиц дополнительных фазы (типа шпинелей Zn_x(Mе)_yO₄). Действие перечисленных факторов при замещение ионов цинка металлами (Co, Al, Ti, Ni, Fe) приводит к увеличению термоэлектрической добротности ZT на 4 порядка (за счет уменьшения удельного электросопротивления и теплопроводности при относительно небольшом снижении коэффициента термоЭДС). Причиной снижения электросопротивления является, образующееся при увеличении продолжительности отжига, более равномерное перераспределение ионов легирующих металлов в решетке вюрцита, приводящее к росту числа донорных центров.

1. Ponja S.D., Sathasivam S., Parkin I.P., Carmalt C.J. Highly conductive and transparent gallium doped zinc oxide thin films via chemical vapor deposition. Scientific Reports. 2020; 10(1): 638. https://doi.org/10.1038/s41598-020-57532-7

2. Lee Y.-P., Lin Ch-Ch., Hsiao Ch-Ch., Chou P.-A., Cheng Y.-Y., Hsieh Ch-Ch., Dai Ch-A. Nanopiezoelectric devices for energy generation based on ZnO nanorods / flexible-conjugated copolymer hybrids using all wet-coating processes. Micromachines. 2020; 11(1): 14. https://doi.org/10.3390/mi11010014

3. Bernik S., Daneu N. Characteristics of SnO2-doped ZnO-based varistor ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 2001; 21(10-11): 1879—1882. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(01)00135-2

4. Wu X., Lee J., Varshney V., Wohlwend J.L., Roy A.K., Luo T. Thermal conductivity of wurtzite zinc-oxide from first-principles lattice dynamics – a comparative study with gallium nitride. Scientific Reports. 2016; 6(1): 22504. https://doi.org/10.1038/srep22504

5. Sawalha A., Abu-Abdeen M., Sedky A. Electrical conductivity study in pure and doped ZnO ceramic system. Physica B: Condensed Matter. 2009; 404(8-11): 1316—1320. https://doi.org/10.1016/j.physb.2008.12.017

6. Winarski D. Synthesis and characterization of transparent conductive zinc oxide thin films by sol-gel spin coating method. Thesis diss. of master science. Graduate College of Bowling Green State University; 2015.

7. Chen H., Zheng L., Zeng J., Li G., Effect of Sr doping on nonlinear current–voltage properties of ZnO-based ceramics. Journal of Electronic Materials. 2021; 50(7): 4096—4103. https://doi.org/10.1007/s11664-021-08960-2

8. Mohammed M.A., Izman S., Alias M.N., Rajoo S., Uday M.B., Obayes N.H., Omar M.F. A review of thermoelectric ZnO nanostructured ceramics for energy recovery. International Journal of Engineering & Technology. 2018; 7(2.29): 27—30. https://doi.org/10.14419/IJET.V7I2.29.13120

9. Colder H., Guilmeau E., Harnois C., Marinel S., Retoux R., Savary E. Preparation of Ni-doped ZnO ceramics for thermoelectric applications. Journal of the European Ceramic Society. 2011; 31(15): 2957—2963. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2011.07.006

10. Jeong A., Suekuni K., Ohtakia M., Jang B.-K. Thermoelectric properties of In- and Ga-doped spark plasma sintered ZnO ceramics. Ceramics International. 2021; 47(17): 23927—23934. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.05.101

11. Levinson L.M., Hirano S. Ceramic transactions. In: Procced. materials of Inter. symposium. Vol. 41. Grain boundaries and interfacial phenomena in electronic ceramics. Westerville: American Ceramic Society; 1994.

12. Li J., Yang S., Pu Y., Zhu D. Effects of pre-calcination and sintering temperature on the microstructure and electrical properties of ZnO-based varistor ceramics. Materials Science in Semiconductor Processing. 2021; 123(6): 105529. https://doi.org/10.1016/j.mssp. 2020.105529

13. Liang X. Thermoelectric transport properties of naturally nanostructured Ga–ZnO ceramics: Effect of point defect and interfaces. Journal of the European Ceramic Society. 2016; 36(7): 1643—1650. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2016.02.017

14. Liang X. Thermoelectric transport properties of Fe-enriched ZnO with high-temperature nanostructure refinement. ACS Applied Materials & Interfaces. 2015; 7(15): 7927—7937. https://doi.org/10.1021/am509050a

15. Walia S., Balendhran S., Nili H., Zhuiykov S., Rosengarten G., Wang Q.H., Bhaskaran M., Sriram S., Strano M.S., Kalantar-zadeh K. Transition metal oxides – thermoelectric properties. Progress in Materials Science. 2013; 58(8): 1443—1489. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.06.003

16. Li P., Zhang H., Gao C., Jiang G., Li Z. Electrical property of Al/La/Cu modified ZnO-based negative temperature coefficient (NTC) ceramics with high ageing stability. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2019; 30(21): 19598—19608. https://doi.org/10.1007/s10854-019-02333-6

17. Pullar R.C., Piccirilloa C., Novais R.M., Quarta A., Bettini S., Iafisco M. A sustainable multi-function biomorphic material for pollution remediation or UV absorption: aerosol assisted preparation of highly porous ZnO-based materials from cork templates. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2019; 7(2): 102936. https://doi.org/10.1016/j.jece.2019.102936

18. Sun Q., Li G., Tian T., Zeng J., Zhao K., Zheng L., Barre M., Dittmer J., Gouttenoire F., Rousseau A., Kassiba A.H. Co-doping effects of (Al, Ti, Mg) on the microstructure and electrical behavior of ZnO-based ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 2020; 103(5): 3194—3204. https://doi.org/10.1111/jace.16999

19. Vu D.V., Le D.H., Nguyen C.X., Trinh T.Q. Comparison of structural and electric properties of ZnO-based n-type thin films with different dopants for thermoelectric applications. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2019; 91(1): 146—153. https://doi.org/10.1007/s10971-019-05024-0

20. Pashkevich A.V., Fedotov A.K., Poddenezhny E.N., Bliznyuk L.A., Fedotova J.A., Basov N.A., Kharchanka A.A., Zukowski P., Koltunowicz T.N., Korolik O.V., Fedotova V.V. Structure, electric and thermoelectric properties of binary ZnO-based ceramics doped with Fe and Co. Journal of Alloys and Compounds. 2022; 895: 162621. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162621

21. Пашкевич А.В., Близнюк Л.А., Федотов А.К., Ховайло В.В., Харченко А.А., Федотова В.В. Тепловые и термоэлектрические свойства керамики на основе оксида цинка, легированной железом. Журнал Белорусского государственного университета. Физика. 2022; (3): 56—67. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2022-3-56-67

22. Wu Z.-H., Xie H.-Q., Zhai Y.-B. Preparation and thermoelectric properties of Co-doped ZnO synthesized by sol-gel. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2015; 15(4): 3147—3150. https://doi.org/10.1166/jnn.2015.9658

23. Sawalha A., Abu-Abdeen M., Sedky A. Electrical conductivity study in pure and doped ZnO ceramic system. Physica B Condensed Matter. 2009; 404(8-11): 1316—1320. https://doi.org/10.1016/j.physb.2008.12.017

24. Gorokhova E.I., Anan’eva G.V., Eron’ko S.B., Oreshchenko E.A., Rodnyi P.A., Chernenko K.A., Khodyuk I.V., Lokshin E.P., Kunshina G.B., Gromov O.G., Lott K.P. Structural, optical, and scintillation characteristics of ZnO ceramics. Journal of Optical Technology. 2011; 78(11): 733—760. https://doi.org/10.1364/jot.78.000753

25. Кржижановская М.Г., Фирсова В.А., Бубнова Р.С. Применение метода Ритвельда для решения задач порошковой дифрактометрии. СПб.: Санкт-Петербургский университет; 2016. 67 с.

26. Зеер Г.М., Фоменко О.Ю., Ледяева О.Н. Применение сканирующей электронной микроскопии в решении актуальных проблем материаловедения. Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия. 2009; 4(2): 287—293.

27. Bosi F., Biagioni C., Pasero M. Nomenclature and classification of the spinel supergroup. European Journal of Mineralogy. 2019; 31(1): 183—192. https://doi.org/10.1127/ejm/2019/0031-2788

28. Cheng H., Xu X.J., Hng H.H., Ma J. Characterization of Al-doped ZnO thermoelectric materials prepared by RF plasma powder processing and hot press sintering. Ceramics International. 2009; 35(8): 3067—3072. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2009.04.010

29. Chernyshova E., Serhiienko I., Kolesnikov E., Voronin A., Zheleznyy M., Fedotov A., Khovaylo V. Influence of NiO nanoparticles on the thermoelectric propertiesof (ZnO)1-x(NiO)x composites. Nanobiotechnology Reports. 2021; 16(3): 381—386. https://doi.org/10.1134/S2635167621030034

30. Adun H., Kavaz D., Wole-Osho I., Dagbasi M. Synthesis of Fe3O4–Al2O3–ZnO / water ternary hybrid nanofluid: Investigating the effects of temperature, volume concentration and mixture ratio on specific heat capacity, and development of hybrid machine learning for prediction. Journal of Energy Storage. 2021; 41(13-14): 102947. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102947

31. Barin I. Thermochemical data of pure substances. Weinheim, Federal Republic of Germany; N.Y., USA: VCH; 1995. 2003 p.

32. 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(4): 041506. https://doi.org/10.1063/1.4908244

33. Gadzhiev G.G. The thermal and elastic properties of zinc oxide-based ceramics at high temperatures. High Temperature. 2003; 41(6): 778—782. https://doi.org/10.1023/b:hite.0000008333.59304.58