Научная статья на тему 'ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ ОКСИД МЕДИ-УГЛЕРОДНЫЕ НАНОВОЛОКНА'

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ ОКСИД МЕДИ-УГЛЕРОДНЫЕ НАНОВОЛОКНА Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
77
9
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НАНОКОМПОЗИТЫ / NANOCOMPOSITES / ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА / ELECTRICAL PROPERTIES / ТЕРМОЭДС / УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ / SPECIFIC ELECTRICAL RESISTANCE / THERMO-POWER

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Калинин Ю.Е., Макагонов В.А., Панин Ю.В., Щетинин Ю.А.

Исследовано влияние углеродных нановолокон (УНВ) на электрическое сопротивление и термоэдс композитов CuO-УНВ. В области температур 120-700 К изучены механизмы электрической проводимости и термоэдс. Исследование температурных зависимостей термоэдс показало, что доминирующим типом носителей заряда во всем исследованном температурном диапазоне являются дырки. Установлено, что в области низких температур преобладающим является прыжковый механизм электропереноса с переменной длинной прыжка по локализованным состояниям, лежащим в узкой полосе энергий вблизи уровня Ферми, а в области температур, близких к комнатной и выше - термически активированный механизм. Из температурных зависимостей электрического сопротивления сделаны оценки плотности локализованных состояний на уровне Ферми и энергии активации проводимости, значения которых согласуются с литературными данными для чистого оксида меди.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ELECTRICAL PROPERTIES OF COPPER OXIDE-CARBON NANOFIBERS NANOCOMPOSITES

The effect of carbon nanofiber (CNF) on the electrical resistivity and thermopower of CuO-CNF composites was investigated. The mechanisms of electrical conductivity and thermoelectric power were studied in the temperature range of 120-700 K. Investigation of the temperature dependence of the thermoelectric power showed that the dominant type of charge carriers in the above temperature range are holes. It was found that hopping mechanism with variable hopping length via localized states located in a narrow energy band near Fermi level is the dominant mechanism of electron transport at low temperatures, while the heat-activated mechanism dominates at room temperatures and higher. From the temperature dependence of the electrical resistivity the estimation of density of localized states at Fermi level and the activation energy of conduction was made. The obtained values are with a good agreement with published data for pure copper oxide.

Текст научной работы на тему «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ ОКСИД МЕДИ-УГЛЕРОДНЫЕ НАНОВОЛОКНА»

НАНОСТРУКТУРЫ

NANOSTRUCTURES

Статья поступила в редакцию 19.06.13. Ред. рег. № 1690 The article has entered in publishing office 19.06.13 . Ed. reg. No. 1690

УДК 538.935

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТОВ ОКСИД МЕДИ-УГЛЕРОДНЫЕ НАНОВОЛОКНА

1 11 2 Ю.Е. Калинин , В.А. Макагонов , Ю.В. Панин , Ю.А. Щетинин

'Воронежский государственный технический университет Московский пр-т 14, г. Воронеж, 394026, Россия Тел.: (473) 246 66 47, факс: (473) 246 32 77, e-mail: vlad_makagonov@mail.ru 2ОАО «Конструкторское бюро химавтоматики» ул. Ворошилова 20, г. Воронеж, 394006, Россия Тел.: (473) 263 36 73, факс: (473) 276 84 40, e-mail: yurii.kbxa@yandex.ru

Заключение совета рецензентов: 25.06.13 Заключение совета экспертов: 01.07.13 Принято к публикации: 10.07.13

Исследовано влияние углеродных нановолокон (УНВ) на электрическое сопротивление и термоэдс композитов CuO-УНВ. В области температур 120-700 К изучены механизмы электрической проводимости и термоэдс. Исследование температурных зависимостей термоэдс показало, что доминирующим типом носителей заряда во всем исследованном температурном диапазоне являются дырки. Установлено, что в области низких температур преобладающим является прыжковый механизм электропереноса с переменной длинной прыжка по локализованным состояниям, лежащим в узкой полосе энергий вблизи уровня Ферми, а в области температур, близких к комнатной и выше - термически активированный механизм. Из температурных зависимостей электрического сопротивления сделаны оценки плотности локализованных состояний на уровне Ферми и энергии активации проводимости, значения которых согласуются с литературными данными для чистого оксида меди.

Ключевые слова: нанокомпозиты, электрические свойства, термоэдс, удельное электрическое сопротивление.

ELECTRICAL PROPERTIES OF COPPER OXIDE-CARBON NANOFIBERS

NANOCOMPOSITES

Yu.E. Kalinin1, V.A. Makagonov1, Yu.V. Panin1, Yu.A. Shetinin2

'Voronezh State Technical University 14 Moskovsky Ave.,Voronezh, 394026, Russia Tel.: +7 (473) 246 66 47, fax: +7 (473) 246 32 77, e-mail: vlad_makagonov@mail.ru 2JSC «Konstruktorskoe Buro Khimavtomatiky» 20 Voroshilova St., Voronezh, 394006, Russia Tel.: +7 (473) 263 36 73; fax: +7 (473) 276 84 40; e-mail: yurii.kbxa@yandex.ru

Referred: 25.06.13 Expertise: 01.07.13 Accepted: 10.07.13

The effect of carbon nanofiber (CNF) on the electrical resistivity and thermopower of CuO-CNF composites was investigated. The mechanisms of electrical conductivity and thermoelectric power were studied in the temperature range of 120-700 K. Investigation of the temperature dependence of the thermoelectric power showed that the dominant type of charge carriers in the above temperature range are holes. It was found that hopping mechanism with variable hopping length via localized states located in a narrow energy band near Fermi level is the dominant mechanism of electron transport at low temperatures, while the heat-activated mechanism dominates at room temperatures and higher. From the temperature dependence of the electrical resistivity the estimation of density of localized states at Fermi level and the activation energy of conduction was made. The obtained values are with a good agreement with published data for pure copper oxide.

Keywords: nanocomposites, electrical properties, thermo-power, specific electrical resistance

q A International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013

84 © Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Введение

Термоэлектрические преобразователи энергии обладают уникальными сочетаниями конструктивных и эксплуатационных характеристик, такими как отсутствие движущихся деталей, рабочих жидкостей и газов, высокой надежностью, возможностю эксплуатации в течение нескольких лет без обслуживания или при минимальном периодическом обслуживании и др. [1-4]. Эти достоинства определяют многообразие использования термогенераторов в качестве источников электропитания, главным образом для автономных систем - в космосе, в труднодоступных районах суши и моря, для имплантируемых кардиостимуляторов и т.п.

Основными факторами, сдерживающими широкое использование термоэлектрических устройств, базирующихся в основном на теллуридах висмута, сурьмы, свинца и селена, являются низкая термоэлектрическая добротность и высокая стоимость исходного сырья. Эффективность термоэлектрического преобразования 1Т = (с52/х)Т определяется электропроводностью (с), термоэдс (5), теплопроводностью (х) материала термоэлемента и температурой источника тепловой энергии (Т) [5, 6]. Ожидается, что при | достижении термоэлектрической добротности 2Т = 3 эффективности термоэлектрических материалов будет достаточно для повсеместного вытеснения компрессорных холодильных агрегатов термоэлектрическими [7, 8]. Поэтому разработка новых недорогих термоэлектрических материалов с высокой эффективностью преобразования энергии представляет большой научный и практический интерес.

Для получения термоэлектрического материала с высокой термоэлектрической добротностью необходимо вещество, обладающее высокой проводимостью полупроводникового типа, высоким коэффициентом Зеебека и низкой, преимущественно решеточной, теплопроводностью. Сочетание высокого значения коэффициента Зеебека и высокой электропроводности полупроводника - явление редкое, из-за чего выбор объектов для разработки эффективных термоэлектрических материалов весьма ограничен. Таким образом, основная задача состоит в одновременной оптимизации трех указанных свойств, причем механизмы, определяющие понижение электрического сопротивления и повышение коэффициента термоэдс, не должны компенсировать друг друга.

Весьма перспективными термоэлектрическими материалами являются оксиды металлов, обладающие высоким коэффициентом Зеебека, однако низкой электропроводностью, что отрицательно сказывается на термоэлектрической добротности материала. Повысить добротность таких систем можно увеличением коэффициента Зеебека или электрической проводимости. Увеличение электрической проводимости можно добиться путем введения в оксиды металлов проводящих наполнителей [9], в частности многослойных углеродных нановолокон (УНВ), обладающих уни-

кальными электрическими свойствами. Электрическая проводимость УНВ составляет 2-20-103 См/см, что позволяет существенно изменять электропроводность матричного композиционного материала при малых объемных долях наполнения композитов [10, 11].

С учетом вышесказанного, в работе исследовано влияние УНВ на электрическое сопротивление и термоэдс нанокомпозитов на основе окиси меди, обладающей сравнительно высокими значениями коэффициента Зеебека (S ~ 1 мВ/К).

Образцы и методика эксперимента

Реализация уникальных электрических свойств УНВ в составе матричных нанокомпозиционных материалов на основе оксидов металлов возможна только при условии высокой степени однородности их свойств и равномерного пространственного распределения в объеме матрицы. В данной работе в качестве наполнителя исследовались УНВ «ТАУНИТ», синтезированные газопиролитическим методом [12]. Содержание минеральных примесей составляло 1,42%. Результаты исследований распределения УНВ по размерам методом динамического светорассеяния на приборе «Nanotrac» показали, что синтезированные УНВ образуют агломераты, средний размер которых составляет 344 нм [13]. Функционализацию УНВ не проводили.

В качестве матричного материала использовали наноразмерный порошок оксида меди, полученный методом электрического взрыва медного проводника в атмосфере воздуха, разработанный предприятием ООО «Передовые порошковые технологии», г.Томск. Порошок содержал не менее 99,8 масс.% оксидных фаз CuO и Cu2O. Содержание других элементов не превышало 0,05 масс.%. Средний размер частиц составлял 50-100 нм.

Смешивание и диспергирование исходных компонентов осуществлялось в высокоэнергетичной планетарной мельнице АГО-3 «мокрым» способом в стальных барабанах при отношении веса шаров из стали ШХ-15 диаметром 7 мм к весу порошковой смеси 5:1 в течение 30 мин. В качестве дисперсионной среды использовали этиловый спирт. После удаления этилового спирта из полученной шихты изготавливали образцы размером 20*10*5 мм методом горячего одностороннего прессования на воздухе при давлении 500 МПа и температуре 370 °С.

Для анализа структуры полученных композитов были проведены рентгеноструктурные исследования на рентгеновском дифрактометре Bruker D2 Phaser, обработка результатов осуществлялась программными средствами Bruker DIFFRAC EVA 3.0 и TOPAS 4.2. Также были проведены исследования поверхностей скола исследуемых образцов на растровом электронном микроскопе (РЭМ) ZEISS EVO MA 10. На рис. 1, a представлены дифрактограммы образцов с различным содержанием УНВ, а на рис. 1, b - микрофотография поверхности скола композита, содержащего 5 масс. % УНВ.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Интенсивность, ими

30000 -

20000-

10000 -

70 80

26, град.

Для измерения температурной зависимости тер-моэдс образец помещался в криостат, давление остаточных газов в рабочем объеме которого составляло ~10-3 Торр. Увеличение температуры осуществлялось при помощи градиентного и фонового резистивных нагревателей со скоростью ~2 К/мин. При этом на образце поддерживался градиент температур ~12 К, что обеспечивалось подачей разных напряжений от источников тока соответствующим нагревателям. Погрешность определения термоэдс не превышала 5%.

Результаты эксперимента и их обсуждение

На рис. 2 приведены зависимости удельного электрического сопротивления и термоэдс от содержания УНВ, измеренные при комнатной температуре. С увеличением концентрации УНВ от 1,5 до 5 масс. % наблюдается уменьшение как величины удельного электрического сопротивления от 6 кОм-м до 0,2 кОм-м (более чем на порядок), так и термоэдс от 1,1 мВ/К до 0,8 мВ/К (примерно на 28%). Для описания концентрационных зависимостей электрического сопротивления композитов применяют теорию перколяции [10, 11]. Для систем, полученных методом смешивания исходных компонентов в планетарной шаровой мельнице, порог протекания обычно лежит в интервале 5-7 об. % [9, 13]. Анализ представленных зависимостей показал, что исследуемые композиты находятся до порога протекания, а добавление УНВ приводит к более существенному уменьшению удельного электрического сопротивления по сравнению с изменением термоэдс.

b

Рис. 1. Дифрактограммы нанокомпозитов CuO-УНВ (а) с содержанием 1,5 (1), 3 (2) и 5 (3) масс. % УНВ и РЭМ фотография поверхности скола композита с 5 масс. % УНВ (b) Fig. 1. Diffractograms of CuO-CNF nanocomposites (a) having 1,5 (1), 3 (2) and 5 (3) wt. % CNF and SEM photograph of cleavage surface of composite with 5 wt. % CNF (b)

Анализ дифрактограмм показал, что матрица на-нокомпозитов состоит из смеси оксидных фаз: 60 масс. % СиО и 40 масс. % Си20. УНВ обнаружить данным методом не удалось, поскольку углерод -легкий химический элемент, и содержание УНВ в композите достаточно мало. Из РЭМ микрофотографий поверхности скола исследованных композитов видно, что УНВ находятся в плотной, хорошо спеченной оксидной матрице в виде агломератов, размер которых не превышает 2 мкм.

Измерение электрического сопротивления осуществлялось на постоянном токе методом амперметра-вольтметра в диапазоне температур 80-300 К. Погрешность определения удельного электрического сопротивления не превышала 3%.

Рис. 2. Зависимости удельного электрического сопротивления и термоэдс для нанокомпозитов CuO-УНВ от содержания УНВ Fig. 2. Dependencies of specific electrical resistivity and thermopower for CuO-CNF nanocomposites on the content of CNF

Чтобы установить влияние углеродного наполнителя на механизм электропереноса, были исследованы температурные зависимости электрического со-

a

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

противления и термоэдс полученных композитов в диапазоне температур 77-650 К. На рис. 3 представлены температурные зависимости удельного электрического сопротивления для композитов СиО-УНВ с содержанием 1,5, 3 и 5 масс. % УНВ.

р, Ом м

10е

105

10J,

103

100

р. Ом м

102-

—i—

200

т, к

—I

300

101 -

10°

300

500 b

т, к

700

охлаждения (рис. 3, Ь). С увеличением доли УНВ температурный гистерезис уменьшается.

Для того чтобы установить доминирующий механизм электропереноса в исследованных композитах, полученные температурные зависимости были перестроены в координатах 1п^ ~ 1/Т (рис. 4, а и Ь) и 1пК ~ 1/Т14 (рис. 4, с). Анализ полученных графиков показал, что 1пК ~ 1/Т носит линейный характер только в области высоких температур и температур, близких к комнатной (рис. 4, а и Ь), в то время как в области более низких температур линейному виду более удовлетворяет зависимость 1пК -

■ 1/714 (рис. 4, с).

Рис. 3. Зависимости удельного электрического сопротивления от температуры для нанокомпозитов CuO-УНВ с содержанием углеродного наполнителя, масс. %: 1 - 1,5; 2 - 3; 3 - 5 Fig. 3. Dependencies of specific resistivity versus temperature for CuO-CNF nanocomposites with content of carbon filler, wt. %: 1 - 1.5, 2 - 3, 3 - 5

Из рис. 3 видно, что все зависимости имеют полупроводниковый тип проводимости: наблюдается монотонное уменьшение электрического сопротивления по мере увеличения температуры. Анализ полученных зависимостей показал, что удельное электрическое сопротивление образцов уменьшается более чем на 5-6 порядков при увеличении температуры от 140-180 К до 600-700 К. Отличительной особенностью данных материалов является несовпадение хода температурных зависимостей удельного электрического сопротивления в области температур 350-600 К, снятых в режимах нагрева и

InR

20

16

12

—i-1-1-1---1-1-1---1

3 4 6 8

1000/7", К"1

a

In R

16

14

12

10-1-"-1---1---1-■-Г---1---1---1

1,4 1,6 2 2,4 2,8

1000/7, K>

b

20

16

12

InR

2 „3

0,24

0,27 0,3

1/Г'4, к-ш

Рис. 4. Зависимости InR ~ 1/7" (a, b) и InR ~ 1/Г (c) для нанокомпозитов CuO-УНВ с содержанием углеродного наполнителя, масс. %: 1 - 1,5; 2 - 3; 3 - 5 Fig. 4. Dependencies InR ~ 1/7 (a, b) and InR ~ 1 /71/4 (c) for CuO-CNF nanocomposites with content of carbon filler, wt. %: 1 - 1.5, 2 - 3, 3 - 5

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

a

c

Наличие линейного характера на зависимости 1пЯ ~ 1/Т свидетельствует о термоактивируемом механизме переноса и об определяющей роли матрицы СиО на электрическое сопротивление. Следовательно, температурную зависимость электрического сопротивления исследованных нанокомпозитов можно описать уравнением Аррениуса [14, 15]

Р = Ро ехР (- Ека/кТ), (1)

где Еа - энергия активации электрической проводимости; к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура.

По экспериментальным зависимостям электрического сопротивления от обратной температуры (рис. 4, а) были определены значения энергии активации проводимости Еа , которые для исследованных образцов имеют величину 0,23 ± 0,05 эВ. Рассчитанные значения энергии активации Еа совпадают с литературными данными 0,23-0,38 эВ [15] и результатами, полученными для образца без углеродного наполнителя (чистый СиО).

По высокотемпературным экспериментальным зависимостям электрического сопротивления от обратной температуры (рис. 4, Ь) также были определены значения энергии активации проводимости Еа ,

которые для исследованных образцов до температуры Т ~ 600 К имеют величину 0,23 ± 0,05 эВ и 1,07 ± 0,09 эВ при Т > 600 К (кривая 1 на рис. 4, Ь).

В области более низких температур температурные зависимости электрического сопротивления подчиняются закону Мотта, т.е. ст^ ехр (-Т14)

(рис. 4, с). Если выполнение закона «закону 1/4» интерпретировать как прыжковую проводимость электронов с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям, лежащим в узкой полосе энергий вблизи уровня Ферми, то, согласно работам Мотта [16], выражение для проводимости имеет вид, описываемый уравнением

ст = е2 Я2 V ехр (- в/Т )1/4, (2)

где

в = 3?1(); (3)

а kg (Е)

е - заряд электрона, Я - расстояние прыжка, урк -фактор спектра фононов взаимодействия, Т - абсолютная температура, g(ЕF) - плотность состояний на уровне Ферми, а - радиус локализации волновой функции электрона, к - постоянная Больцмана.

Из экспериментальных данных по проводимости, используя (2) и (3), можно оценить эффективную плотность электронных состояний на уровне Ферми g(ЕF). Если считать, что процесс проводимости лимитируется прыжками носителей заряда между частицами УНВ, то, принимая радиус локализации электрона

а ~ 4 нм (равным среднему радиусу углеродных частиц наполнителя), были сделаны оценки значений переменной В и плотности локализованных состояний на уровне Ферми для различных составов композитов, которые в среднем равны g(ЕF) = 1016 эВ-1-см-3.

В том случае, если процесс перескока атомов лимитируется прыжками электронов по катионным узлам кристаллической решетки, то за радиус локализации электрона нужно взять характерный размер атома меди, т.е. а ~ 0,08 нм. В этом случае оценки плотности локализованных состояний на уровне Ферми для различных составов композитов дают значения g(ЕF) = 1020 эВ-1-см-3. Значения, полученные во втором случае, более реалистичны. Следовательно, можно считать, что в области азотных температур электрическая проводимость осуществляется прыжками носителей заряда с переменной длиной прыжка по локализованным состояниям, лежащим в узкой полосе энергий вблизи уровня Ферми и лимитируется прыжками носителей по катионным узлам кристаллической решетки.

Для более высоких температур электропроводность меняется по экспоненциальному закону с энергией активации Е„ = 0,23 ± 0,05 эВ. Для объяснения энергии активации проводимости в этом интервале температур можно привлечь прыжковый механизм проводимости, рассматривая процесс проводимости как миграцию носителей заряда по разновалентным ионам меди в результате взаимодействия с колебаниями кристаллической решетки [17]. В этом случае локализация заряда может осуществиться тогда, когда носитель (электрон или дырка) достаточно долго связан с одним и тем же катионом в сравнении с периодом колебаний решетки. Тогда проводимость можно рассматривать как процесс активированной диффузии положительных дырок (или электронов), захваченных разновалентными ионами меди, а энергию активации проводимости интерпретировать как энергию активации подвижности носителей заряда. При этом концентрация носителей заряда в данном интервале температур считается постоянной.

В области более высоких температур (>600 К) энергия активации проводимости возрастает (кривая 1 на рис. 4, Ь). Можно предположить, что при повышении температуры начинается меняться концентрация носителей заряда за счет примесных уровней в запрещенной зоне полупроводника. Энергия активации проводимости при этом будет состоять из двух составляющих: энергии активации подвижности и энергии образования примесного уровня.

Следовательно, энергия образования примесного уровня будет: ЕР = 1,07 - 0,23 = 0,84 ± 0,09 эВ, что в пределах погрешности совпадает с результатами энергии активации, равными 0,78 эВ, полученными на чистом Си2О [15].

Для того чтобы установить доминирующий тип носителей заряда были исследованы температурные зависимости термоэдс. Температурные зависимости

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

термоэдс для композитов СиО-УНВ представлены на рис. 5. Для исследованных композитов в области низких температур термоэдс изменяется с температурой по кривой с максимумом (кривые 1-3 на рис. 5). В области высоких температур зависимости 5(Т) имеют сложный вид с гистерезисом в процессе нагрева и охлаждения, который уменьшается с увеличением количества углеродного наполнителя. Положительный знак термоэдс во всем диапазоне температур свидетельствует о том, что основными носителями заряда в исследованных композитах являются дырки.

150

200

250

300

Т, К

т, к

b

Рис. 5. Температурные зависимости термоэдс для нанокомпозитов CuO-УНВ с содержанием углеродного наполнителя, масс. %: 1 - 1,5; 2 - 3, 3 - 5 Fig. 5. Temperature dependencies of the thermopower for CuO-CNF nanocomposites with content of carbon filler, wt. %: 1 - 1.5, 2 - 3, 3 - 5

Анализ температурных зависимостей термоэдс в области низких температур, близких к комнатной (рис. 6, а), и высокотемпературных при охлаждении (рис. 6, Ь) показал, что с повышением температуры они могут быть описаны уравнением [16]

5 = к/г (А - ЕЦкТ), (4)

где е - заряд электрона, А - постоянная, ЕБа - энергия активации термоэдс.

S, мВ/К 1,5 -i

1,2 -

0.9 -

0,6

—i—

3,5

1000/Т,

К"1 4'5

S, мБ/К

0,6

0,4

0,2

0,1

1,5

1,75

2,25

1000/7. К-1

2,75

b

Рис. 6. Зависимости S ~ 1/7 для нанокомпозитов CuO-УН с содержанием углеродного наполнителя, масс. %:

1 - 1,5; 2 - 3, 3 - 5 Fig. 6. Dependencies S ~ 1/7 for CuO-CNF nanocomposites with content of carbon filler, wt. %: 1 - 1.5, 2 - 3, 3 - 5

По данным рис. 6 были рассчитаны значения энергии активации термоэдс, которые в пределах ошибки можно представить как Еьа = 0,22 ± 0,05 эВ.

Из полученных результатов видно, что для образцов с содержанием 1,5, 3 масс. % УНВ энергии активации проводимости и термоэдс совпадают с точностью до погрешности расчетов. Таким образом, в этих составах преобладающим механизмом электропереноса является термоактивационный, а энергия активации проводимости в широком интервале температур определяется энергией активации подвижности носителей заряда (в исследованных композитах - дырок).

Заключение

1. Исследованы концентрационные зависимости электрического сопротивления и термоэдс композитов СиО-УНВ, полученных путем прессования нано-порошков оксида меди и углеродных нановолокон.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (130) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

a

a

Установлено, что при комнатной температуре увеличение концентрации УНВ от 1,5 до 5 масс. % сопровождается уменьшением как величины удельного электрического сопротивления от 6 кОм-м до 0,2 кОм-м (более чем на порядок), так и термоэдс от 1,1 мВ/К до 0,8 мВ/К (примерно на 28%).

2. Изучены температурные зависимости удельного электрического сопротивления полученных композитов в области температур 77-650 К. Выявлено, что все зависимости имеют полупроводниковый тип проводимости: наблюдается монотонное уменьшение электрического сопротивления по мере увеличения температуры. Анализ полученных зависимостей показал, что удельное электрическое сопротивление в области температур 100-210 К хорошо описываются в рамкам прыжковой модели по локализованным состояниям вблизи уровня Ферми с переменной длиной прыжка. На основании экспериментальных результатов температурной зависимости электрического сопротивления, где выполняется закон Мотта, сделана оценка плотности локализованных состояний на уровне Ферми исследованных образцов.

3. Установлено, что в области температур 210600 К проводимость носит активационный характер, описываемый по закону Аррениуса с энергией активации Е1 = 0,23 ± 0,05 эВ. Сделано предположение, что полученное значение энергии активации проводимости соответствует энергии активации подвижности носителей заряда.

4. Изучены температурные зависимости термоэдс в диапазоне температур 77-650 К. В области низких температур термоэдс изменяется с температурой по кривой с максимумом. В области высоких температур зависимости 5(Т) имеют сложный вид с гистерезисом в процессе нагрева и охлаждения, который уменьшается с увеличением углеродного наполнителя. Показано, что термоэдс во всем диапазоне температур имеет положительный знак, свидетельствующий о том, что основными носителями заряда в исследованных композитах являются дырки. Установлено, что для исследованных образцов в области высоких температур энергии активации проводимости и термоэдс совпадают в пределах погрешности измерений.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по грантам № 13-08-97533 и № 13-08-97520

Список литературы

1. Thermoelectrics handbook: macro to nano / Ed. by D.M. Rowe. New York: Taylor & Francis Group, LLC, 2006.

2. Анатычук Л.И., Семенюк В.А. Оптимальное управление свойствами термоэлектрических материалов и приборов. Черновцы: Прут, 1992.

3. Булат Л.П., Ведерников М.В., Вялов А.П. Термоэлектрическое охлаждение. СПб: СПбГУНиПТ, 2002.

4. Гольцман Б.М., Дашевский З.М., Кайданов В.И., Коломоец Н.В. Пленочные термоэлементы: физика и применение. М.: Наука, 1985.

5. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М.-Л., 1956.

6. Гриднев С. А., Калинин Ю.Е., Макагонов В.А., Шуваев А. С. Перспективные термоэлектрические материалы // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE, 2013. № 1-2 (118). С. 117-125.

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

8. Дмитриев А.В. Звягин И.П. Современные тенденции развития физики термоэлектрических материалов // УФН. 2010. № 8. С. 821-837.

9. Калинин Ю.Е., Макагонов В.А., Панин Ю.В., Шуваев А. С. Влияние углеродного наполнителя на электрические свойства композитов на основе оксида меди // Вестник ВГТУ, 2012. № 11. С. 57-61.

10. Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы: учеб. пособие. М.: УРСС, 2002.

11. Гриднев С. А., Калинин Ю.Е., Ситников А.В., Стогней О.В. Нелинейные явления в нано- и микрогетерогенных системах. М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2012.

12. Ткачев А.Г. Углеродный наноматериал «Тау-нит» - структура, свойства, производство и применение // Перспективные материалы. 2007. № 3. С. 5-9.

13. Панин Ю.В., Прилепо Ю.П., Торба Ж.Н., Чуйко А.Г. Исследование электрической проводимости в спиртовых суспензиях многослойных углеродных нанотрубок // Вестник Воронежского гос. технического университета. 2012. Т. 8. № 2. С. 70-72.

14. Feldman W. The electrical conductivity and isothermal hall effect in cuprous oxide // Phys. Rev. 1943. Vol. 64. P. 113-118.

15. Буш Г. Электронная проводимость неметаллов / Г. Буш. - Электронная проводимость неметаллов // УФН. 1952. Вып. 6. С. 258-324.

16. Мотт Н., Девис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир, 1974.

17. Шефтель И.Т. Терморезисторы. М.: Наука, 1973.

ГхЛ

— TATA —

оо

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (130) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.