CC BY
78
564 KÍMYA PROBLEML9RÍ 2018 № 4 (16) ISSN 2221-8688
О
UOT 546.86.87+546.65.2
Bi2-x(Sb, Ln)xTe3-y-zSeySz ÇOXKOMPONENTLi B9RK M9HLULLAR 9SASINDA MATERÍALLARIN SiNTEZi УЭ TERMOELEKTRÍK XASS9L9RÍ
K.L. Çirinov1, D.S. ajdarova2, Ö.M. aliyev2, V.M. Rahimova2
1Azarbaycan Dövlat Pedaqojí Uníversítetí AZ1001 Вакг, Ü.Hawbayov Mç.,34; e-mail: [email protected] 2 AMEA-mn akad. M. Nagtyev adma Kataliz va Qeyrí-üzví Kimya instítutu AZ1143, Bab, H.Cavidpr., 113; e-maíl:kqkí@kqkí.scíence.az
Redaksíyaya daxíl olub o2.11.2oi8.
Fízíkí-kímyavi analiz metodlan asasmda Bi2-x(Sb, Ln)xTe3-y-zSeySz çoxkomponenth bark mahlullar sintez olunmu va onlarm geniç temperatur intervalnda elektrofiziki xassalarí tadqiq olunmuçdur. Müayyan edilmiçdir kí, tadqíq olunan materíallar yüksak termoelektrík xassalarína malíkdírlar. Tarkíbí Bí1:s8Sbo,o6Ndo,o6Te2,s2Se0,o9 olan bark mahlulun termoelektrík effektlíyí Z=3,521o3 K-1ta§kil edír.
Açar sözfor: bark mahlul, termoelektrík xassalar, elektrík keçírícílíyí, termo-e.h.q.; ístílík keçírícílíyí termoelektrík effektívlíyí
DOI: https://doi.org/10.32737/2221-8688-2018-4-564-569
GÍRͧ
Malumdur ki, stibium va bismutun telluridlarindan ibarat olan sistemlarda qeyri-mahdud hallolma sahasi mü§ahida olunur. Bunun sababi har iki telluridin tetradimit Bi2Te2S quruluç tipinda kristallaçmasi, yaxin arima temperaturuna malik olmalari, eyni kimyavi rabita tipi va yaxin ion radiuslarina malik olmalaridir [1-3]. Bu materiallar termoelektrík xassali olub, 77-620 K temperatur intervalinda tatbiq olunurlar. Bu materiallar soyuducu va temperaturu stabillaçdirici cihazlarda, hamçinin termogeneratorlarda içladilir [2-4].
Bi2_xSbxTe3 bark mahlullari layli quruluça malik olduqlarina göra onlarda son illarin tadqiqatlari naticasinda topoloji izolyatorluq xassasi tapilmi§dir. Bu isa öz növbasinda göstarilan materiallarin galacakda
elektronikanin mühüm sahasi olan spintronika va topoloji kvant kompüterlarinin
yaradilmasinda istifadasini stimullaçdirir.
Göstarilan bark mahlullarin geni§ tatbiq sahalarina malik olmasinin sababi onlarin xassalarinin tarkibinin dayiçdirilmasi va yükda§iyicilarin qatiliginin idara olunmasi ila tayin olunur. Onu da qeyd etmak lazimdir ki, Bi2Te3 asasinda alinmiç n-tip keçiriciliya malik materiallar daha çox maraq kasb edir [5, 6]. Bu materiallarin ümumi istilik keçiriciliyi va layli quruluçlu (Te1-Bi-Tex-Bi-Te1) oldugundan güc parametri а а bir qayda olaraq kiçik olur. Ona göra da materialin faydali i§ amsalini (Z) artirmaq maqsadila kation va ya anion avazlamalarinda i§tirak edan atomlarin sayini artirmaq zarurati yaranir [7].
TacRÜBi HiSSa
Baçlangic material kimi 99.999% markali kükürd va selendan istifada tamizliya malik Sb, Bi va Te-dan, 99,97 olunmuçdur. Malumdur ki, nadir torpaq tamizliya malik Nd va Yb-dan va xüsusi tamiz elementlarinin koordinasiya adadi xalkogenid
birla§malarinda 6-dan 9-a qadar dayi§ir va Sb(Bi) kimi müxtalif handasi vaziyyatlarda yerla§ir [8]. Bu biza Bi2Te3 birla§masinda bismutun stibiumla, stibiumun bir hissasini Nd va ya Yb-la avaz etmaya imkan verir. Alinacaq materialin qadagan olunmu§ zonasinin enini (AE) artirmaq maqsadila Te-un bir hissasi S va Se-la avaz olunmu§dur. Belalikla, Bi2-x(Sb, Ln)xTe3-y-zSey va Bi2-x(Sb, Ln)xTe3-y-zSeySz tarkibli 9oxkomponentli bark mahlul sintez olunmu§dur, burada x, y va z-in qiymati 0<y+z<0.9, 0<x<0.6 intervalinda dayi§ir.
Materiallar istiqamatlanmi§ kristalla§ma variantlarindan olan vertikal zonali
tarazla§dirma metodu (Bricman -Stokbaryer metodu) ila sintez edilmi§dir. Bu metod bir ne9a monokristallik blokdan ibarat olan nümunalar almaga imkan vermi§dir. Uzunlugu 100-120 mm va diametri 6-8 mm olan kristallardan elektrofiziki tadqiqatlar ü9ün uzunlugu 10-15 mm olan nümunalar kasilmi§dir.
Elektrik, istilik ke9iriciklarinin va termo-e.h.q.-nin amsalinin temperatur asililiqlari tadqiq olunmu§dur. Bütün fiziki öl9malar sabit carayanda aparilmi§dir.
T9CRÜB9L9RiN N9TiC9L9Ri VO ONLARIN MÜZAKiR9Si
Elektrik ke9iriciliyi termo-e.h.q. va yinin temperatur asililiqlari 1-ci §akilda istilik ke9iriciliyi 300-450 K temperatur verilmi§dir. intervalinda öl9ülmü§dür. Elektrik ke?iricili-
300 350 400 450 T,K
Sakil 1. Bi2-x(Sb, Ln)xTe3 -y-zSeySz bark mahlullarinin elektrik ke9iriciliyinin temperatur asililiqlari: 1 - BiU8Sb0,06Nd0,06Te2,82Se0,i8; 2 - BiU8Sb0,06Yb0,06Te2,82Se0,i8; 3 - Bii,88Sb0,06Te2,20Se0,iS0,i; 4-Bii,88Sb0,06Gd0,06Te2,82Se0,i8.
§akildan göründüyü kimi, temperatur artdiqca a-nin qiymati azalir. A§qar ke9iricilik sahasinda yükda§iyicilarin qatiligi tadqiq olunan materiallarda praktiki olaraq temperaturdan asili deyil. Ona göra da elektrik ke9iriciliyinin temperatur asililigi yürüklüyün temperatur
asililigi ila tayin olunur. Yürüklüyün temperatur asililigi isa temperatur artdiqca azalir. lga0(lgT) ayrilarinin meyli bark mahlulun amala galmasinda i§tirak edan avazlayici atomlarin sayi artdiqca azalir.
Bi2-x(Sb, Ln)xTe3-y-zSeySz bark mahlulla-
566
BÍ2-x(Sb, Ln)xTe3-y_zSeySz COXKOMPONENTLÍ
rinda temperatur artdiqca a§qar sahasinda termo- müxtalif temperaturlarda maksimuma 9atdiqdan e.h.q.-nin qiymati artir, tarkibdan va sonra azalir (§ak.2). yükda§iyicilarinin qatiligindan asili olaraq
300 350 400 450 T,K
§akil 2. Bi2-x(Sb, Ln)xTe3-y-zSeySz bark mahlullarinda termo-e.h.q.-nin temperatur asililiqlari.
3 - Bii,88Sbo,o6Te2,2oSeo,iSo,i;
1 - Bii,88Sbo,o6Ndo,o6Te2,82Seo,i8; 2 - Bii,88Sbo,o6Ybo,o6Te2,82Seo,i8;
4-Bii,88Sbo,o6Gdo,o6Te2,82Seo,i8.
»•io"3W-cm"i-K_i
i7
i5
i3
ii
3oo
35o
4oo
_L
45o T,K
§akil 3. Bi2-x(Sb, Ln)xTe3.y.zSeySz bark mahlullarinin istilik ke^irmalarinin temperatur asililiqlari. 1 -
BiU8Sbo,o6Ndo,o6Te2,82Seo,i8; 2 — Bii)88Sbo)o6Ybo)o6Te2)82Seo,i8; 3 — Bii^Sbo^Te^oSeo^So^; 4-Bii88Sbon6Gdon6Te2 82Seoi8.
Yükda§iyicilarin qatiligi yaxin olan nümunalarin termo-e.h.q.-nin temperatur asililiqlarinin müqayisasi göstarir ki, termo-e.h.q.-nin maksimum qiymatinin temperaturu bark mahlulda avazlamada i§tirak edan atomlarin sayi artdiqca artir.
Tam istilik keçirmanin temperatur asililiqlari çskil 3-da verilmiçdir. Göründüyü kimi, 300-450 K temperatur intervalinda œ-nin dayiçma xarakteri açqar zonasindaki temperatur asililiqlarindan farqlanir va temperatur artdiqca azalir.
Bu azalma fononlarin qafasin istilik dalgalarinin sapilmasinin artmasi ila alaqadardir.
Z, КГ-КГ1
Bi2Te3-da avazlayici komponentlarin minimum qiymati daha yüksak temperatur tarafina sürü§mü§dür (§ak. 3).
Belalikla, elektrik, istilik keçirma va termo-e.h.q.-nin açqar keçiricilik zonasinda temperatur asililiqlarinin müqayisasina asasan bela bir naticaya galmak olar ki, qeyri-asas daçiyicilarinin meydana çixmasi termo-e.h.q.-nin azalmasina va tam istilik keçirmanin qiymatinin artmasina sabab olur. Bu halda elektrik keçiriciliyinin ciddi artimi mü§ahida olunur. Sintez olunmuç bark mahlullarin termoelektrik effektivliyinin (Z) temperatur asililiqlari §ak.4-da verilmiçdir.
§akil 4. Bi2-x(Sb, Ln)xTe3.y.zSeySz bark mahlullarinda
Bil,88Sb0,06Nd0,06Te2,82Se0,09S0,09; 2-Bíl,88Sb0,04Nd0,04Y Bil,88Sb0,06Gd0,06Te2,82Se0,l8
Göründüyü kimi, tarkibi
Bil,88Sbo,o6Ndo,o6Te2,82Seo,o9So,o9 olan material mövcud termoelementlarla müqayisada yüksak effektivliya (Z=3.52403K-1) malikdir.
Temperatur artdiqca Z-in qiymati azalir va göstarilan tarkib ^ün 500 K-da Z=2.12-103K-1 ta§kil edir. Qeyd etmak lazimdir ki, effektivliyin maksimum qiymati x,y va z-in
ermoelektrik effektivliyinin temperatur asililiqlari. 1-
(0,04Te2,82 Se0,l8; 3 Bil,88Sb0,06 Yb0,06Te2,80Se0,20; 4-
(avazlayici komponentlarin) qiymati artdiqca azalir. Ona göra da verilmi§ temperatur intervali üçün materialin termoelektrik effektivliyinin optimallaçdirilmasinda yalniz bark mahlullarin tarkibinin variasiyasindan yox, ham da yükda§iyicilarin qatiliginin
dayiçdirilmasi variantindan istifada etmak olar.
568
Bi2-x(Sb, Ln)xTe3-y-zSeySz COXKOMPONENTLi
9D9BiYYAT
1. Свечникова Е.Е., Нихезина И.Ю., Коржуев М.А. Термоэлектрические свойства кристаллов Bi2Te2,7Se0,3. // Неорган. Материалы. 2011, т. 47, № 12, с. 1442-1446.
2. Степанов Н.П., Калашников А.А., Улашкевич Ю.В. Оптические функции кристаллов твердых растворов Bi2Te3-Sb2Te3 в области возбуждения плазмонов и межзонных переходов. // Оптика и спектроскопия. 2010, т. 109, № 6, с. 958-963.
3. Вейс А.Н. Термоэлектрики и их применения. СПб.: Изд-во ФТИ. 2006. 316 с.
4. Koumoto K., Mori T. Thermoelectric nonmaterial's design and applications
springier series in materials Science. Springer. New York. 2013, pp. 387-398.
5. Гольцман Б.М., Кудинов В.А., Смирнов И.А. Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе Bi2Te3. М.: Наука, 1972, 320 с.
6. Кутасов В.А., Лукьянова Л.Н. Термоэлектрические свойства твердых растворов Bi2.xSbxTe3. // ФТТ. 2006, т. 48. № 12, с. 2164-2169.
7. Гольцман Б.М., Иконникова Л.Н., Кутасов В.А., Равич Ю.И. // ФТТ. 1985, т. 24, № 2, с. 334-341.
8. Елисеев А.А., Кузьмичева Г.М. О реализации закона простых, постоянных кратных отношений в кристаллохимии халькогенидов редкоземельных элементов. // ЖНХ. 1979, т. 24, № 1, с. 68-73.
REFERENCES
1. Svechnikova E.E., Nihezina I.Ju., Korzhuev M.A. Thermoelectric properties of crystals Bi2Te2,7 Se0,3. Neorganicheskie materialy - Inorganic Materials. 2011, vol. 47, no. 12, pp. 1442-1446. (In Russian).
2. Stepanov N.P., Kalashnikov A.A., Ulashkevich Ju.V. Optic functions of crystals of solid solutions Bi2Te3-Sb2Te3 in the excitation field of plasmons and interseasonal transitions. Optika i spektroskopija - Optics and Spectroscopy. 2010, vol. 109, no. 6, pp. 958-963. (In Russian).
3. Vejs A.N. Thermo-electrics and their use. St. Petersburg: FTI Publ. 2006, 316 p.
4. Koumoto K., Mori T. Thermoelectric nonmaterial's design and applications springier series in materials Science. Springer. New York. 2013, pp. 387-398.
Gol'cman B.M., Kudinov V.A., Smirnov I.A. Semiconductor Bi2Te3-based thermo-electric materials. Moscow: Nauka Publ., 1972, 320 p.
5. Kutasov V.A., Luk'janova L.N. Thermoelectric properties of solid solutions Bi2-xSbxTe3. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State. 2006, vol. 48, no. 12, pp. 2164-2169. (In Russian).
6. Gol'cman B.M., Ikonnikova L.N., Kutasov V.A., Ravich Ju.I. Fizika tverdogo tela - Physics of the Solid State. 1985, vol. 24, no. 2, pp. 334-341. (In Russian).
7. Eliseev A.A., Kuz'micheva G.M. On implementation of the law of permanent simple proportions in crystal chemistry of chalkogenydes of rare earth elements. Zhurnal Neorganicheskoi Khimii - Russian Journal of Inorqanic Chemistry. 1979, vol. 24, no. 1, pp. 68-73.
SYNTHESIS AND THERMOELECTRIC PROPERTIES OF MATERIALS BASED ON MULTICOMPONENTSOLID SOLUTIONS Bi2.x(Sb, Ln)xTe3.yzSeySz
1 2 2 2 K.L.Shirinov , D.S.Ajdarova , O.M.Aliyev , V.R.Ragimova
Azerbaijan State Pedagogical University AZ1001 Baku, U. Hajibekov str., 34; e-mail: [email protected] Acad. M. Nagiyev Institute of Catalyst and Inorganic Chemistry
National Academy of Sciences ofAzerbaijan AZ1143 Baku, H. Javid Ave., 113; e-mail: [email protected]
Multi-component solid solutions Bi2-x(Sb, Ln)xTe3-y-zSeySz have been synthesized and their thermoelectric properties examined by means of physical-chemical analysis. It revealed that material of Bi1,88Sb0,06Nd0,06Te2,82Se0^,09 composition is characterized by high thermoelectric effectiveness (Z=3,52 103 K-1).
Keywords: solid solution, thermoelectric properties, electric conductivity, heat conductivity, thermoelectric effectiveness
СИНТЕЗ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ Ы2.Х^Ъ, Ьп)хТе3уч$е3$г
К.Л. Ширинов1, Д.С. Аждарова2, О.М. Алиев2, В.М. Рагимова2
Азербайджанский государственный педагогический университет А21001 Баку, ул.У.Гаджибекова, 34; в-тай: к1^еасИег2010@,таИги Институт катализа и неорганической химии им. акад. М.Нагиева Национальной АН Азербайджана А21143 Баку, пр.Г.Джавида, 113; е-тай: [email protected]
Синтезированы многокомпонентные твердые растворы Ы2-Х^Ь, Ln)xTeз-y-zSeySz и методами физико-химического анализа изучены их термоэлектрические свойства. Установлено, что материал состава Bi1,88SЬ0,0бNd0,0бTe2,82Se0,09 характеризуется высокой термоэлектрической эффективностью (2=3.52-103 К-1).
Ключевые слова: твердый раствор, термоэлектрические свойства, электропроводность, теплопроводность, термоэлектрическая эффективность.
