Научная статья на тему 'ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ХАЛЬКОГЕНИДОВ ВИСМУТА N-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ С НАНОРАЗМЕРНОЙ ОКСИДНОЙ ФАЗОЙ'

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ХАЛЬКОГЕНИДОВ ВИСМУТА N-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ С НАНОРАЗМЕРНОЙ ОКСИДНОЙ ФАЗОЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
154
32
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НАНОКОМПОЗИТЫ / ТЕРМОЭДС / УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ / КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Панин Ю.В., Калинин Ю.Е.

Рассмотрены вопросы повышения термоэлектрической добротности применяемых на практике термоэлектрических материалов. Существенный прорыв в повышении термоэлектрической добротности (ZT) термоэлектриков был осуществлен в 50-е годы пошлого века, благодаря реализации выдвинутой А.Ф. Иоффе концепции полупроводниковых твердых растворов на основе Bi2Te3-Sb2Te3, которая в дальнейшем была реализована на практике. В настоящее время наметился новый прорыв в повышении ZT термоэлектрических материалов, основанный на применении наноструктурированных термоэлектрических материалов, а также введении в структуру термоэлектриков наночастиц других компонентов. С учетом последних тенденций повышения термоэлектрической добротности в работе исследованы термоэлектрические параметры композиционного материала на основе твёрдых растворов Bi2Te3-Se2Te3 n-типа проводимости, содержащего наноразмерную оксидную фазу основного полупроводникового материала. Образцы для исследований были синтезированы по керамической технологии с концентрацией наноразмерного оксидного наполнителя 0,1 - 0,12 масс. %. Установлено, что введение оксидного наноразмерного наполнителя приводит к увеличению отношения электропроводности к теплопроводности материала и росту термоэдс. Показано, что термоэлектрическая добротность получаемых композитов достигает максимального значения ZT = 1 в интервале температур 500-600 K

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Панин Ю.В., Калинин Ю.Е.

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

THERMOELECTRIC MATERIAL BASED ON CHALCOGENIDES OF BISMUTH AND THE N-TYPE CONDUCTIVITY WITH NANOSCALE OXIDE PHASE

The paper deals with the issues of improving the thermoelectric quality factor of thermoelectric materials used in practice. A significant breakthrough in the improvement of thermoelectric Q (ZT) was made in the 1950s, thanks to the implementation of the concept of solid solutions based on Bi2Te3-Sb2Te3, put forward by the A. F. Ioffe, which was later implemented in practice. In recent years, there has been a new breakthrough in increasing the ZT of thermoelectric materials, based on the concept of creating nanostructured thermoelectric materials. Taking into account the latest trends of thermoelectric q-factor increase, thermoelectric characteristics of the composite material based on solid solutions of Bi2Te3-Se2Te3 n-type conductivity containing nanoscale oxide phase of the main semiconductor material are investigated. Samples for research were synthesized by ceramic technology with a concentration of nanoscale oxide filler 0.1-0.12 mass. %. It was found that the introduction of oxide nanoscale filler leads to an increase in the ratio of electrical conductivity to the thermal conductivity of the material and the growth of thermal e.m.f.. It is shown that the thermoelectric quality factor of the obtained composites reaches a maximum value of ZT = 1 in the temperature range of 500-600 К

Текст научной работы на тему «ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ХАЛЬКОГЕНИДОВ ВИСМУТА N-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ С НАНОРАЗМЕРНОЙ ОКСИДНОЙ ФАЗОЙ»

Физика

УДК 539.216.2

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ХАЛЬКОГЕНИДОВ ВИСМУТА ^ТИПА ПРОВОДИМОСТИ С НАНОРАЗМЕРНОЙ ОКСИДНОЙ ФАЗОЙ

Ю.В. Панин, Ю.Е. Калинин Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассмотрены вопросы повышения термоэлектрической добротности применяемых на практике термоэлектрических материалов. Существенный прорыв в повышении термоэлектрической добротности (ТТ) термоэлектриков был осуществлен в 50-е годы пошлого века, благодаря реализации выдвинутой А.Ф. Иоффе концепции полупроводниковых твердых растворов на основе Bi2Te3-Sb2Te3, которая в дальнейшем была реализована на практике. В настоящее время наметился новый прорыв в повышении ZT термоэлектрических материалов, основанный на применении наноструктурированных термоэлектрических материалов, а также введении в структуру термоэлектриков наночастиц других компонентов. С учетом последних тенденций повышения термоэлектрической добротности в работе исследованы термоэлектрические параметры композиционного материала на основе твёрдых растворов Bi2Te3-Se2Te3 п-типа проводимости, содержащего наноразмерную оксидную фазу основного полупроводникового материала. Образцы для исследований были синтезированы по керамической технологии с концентрацией наноразмерного оксидного наполнителя 0,1 - 0,12 масс. %. Установлено, что введение оксидного наноразмерного наполнителя приводит к увеличению отношения электропроводности к теплопроводности материала и росту термоэдс. Показано, что термоэлектрическая добротность получаемых композитов достигает максимального значения ZT = 1 в интервале температур 500-600 К

Ключевые слова: нанокомпозиты, термоэдс, удельное электрическое сопротивление, коэффициент теплопроводности

Благодарности: работа выполнена при финансовой поддержке проекта «Создание высокотехнологичного производства автономных источников тока на основе термоэлектрических генераторных модулей нового поколения», реализуемого в рамках постановления № 218 03.G25.31.0246

Введение

Эффективность работы термоэлектрических генераторов зависит от добротности термоэлектрического материала, из которого изготовлены ветви термоэлементов. Мерой термоэлектрической добротности материала является безразмерный коэффициент ТТ.

ТТ = (а -о2/ Х)Т, (1)

где Т - термоэлектрическая добротность, Т - абсолютная температура, а - коэффициент термоэдс, о - электропроводность, X - теплопроводность. Из приведенной формулы следует, что теплопроводность материала во многом определяет эффективность преобразования энергии.

Основной вид теплопроводности, на который есть возможность существенно влиять изменением технологии, не влияя на электропроводность, это фононная теплопроводность. Увеличить рассеяние фононов можно путём создания неоднородностей, формированием

новых фазовых границ или резонансных систем в материале [1-3].

В соответствии с законом Видемана-Франца коэффициент теплопроводности металлов пропорционален удельной электрической проводимости. Однако в наноразмерных гете-рофазных материалах эта закономерность не выполняется. Решеточная теплопроводность в наноразмерном гетерофазном термоэлектрическом материале может быть снижена за счет рассеяния фононов на границах раздела фаз, а термоэдс в таких структурах может быть увеличена при изменении вида плотности состояний вблизи уровня Ферми или благодаря эффекту энергетической фильтрации носителей заряда [4].

В работе [5] показано, что теплопроводность композита матричного типа с монодисперсным сферическим наполнителем может быть выражена формулой

1 1 2 Як

- ■ + ■ к

^ ¿0 ^ (2)

© Панин Ю.В., Калинин Ю.Е., 2018

где - теплопроводность материала наполнителя, d - размер частиц

наполнителя, RК - тепловое сопротивление Капицы.

Из приведенной формулы следует, что эффективность снижения теплопроводности термоэлектрического материала определяется геометрическими параметрами частиц второй фазы, которая должна быть стабильной в контакте с матричным термоэлектрическим материалом и иметь размер d меньше, чем средняя длина свободного пробега фононов. В этом случае фононы будут интенсивно рассеиваться. Частицы размером больше, чем средняя длина свободного пробега фононов будут не эффективны.

Кроме того частицы должны быть равномерно распределены в объёме матрицы термоэлектрического материала и находиться на расстоянии друг от друга не более чем на порядок от величины средней длины свободного пробега фононов.

Расчёты показывают, что исходя из указанных требований, эффективное снижение теплопроводности будет обеспечиваться при размере частиц 0,01-0,05 мкм, при среднем расстоянии между частицами в пределах 0,1 - 0,5 мкм и их объёмном содержании не более 5 - 10 %.

Входящая в приведенную формулу собственная теплопроводность частиц не играет существенной роли. Так в работе [6] показано, что при наполнении диэлектрической матрицы многостенными углеродными нано-трубками, которые обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью с концентрацией до 0,5 % электропроводность получаемого композита возрастает на 7 порядков, в то время как теплопроводность возрастает не более чем на 3 %, а при наполнении одностенными углеродными нанотрубками теплопроводность даже понижается (одно-стенные углеродные нанотрубки имели меньший размер d). Объясняется данное явление тепловым сопротивлением Капицы RК, оцениваемое для углеродных нанотрубок значением 810 -8 м2КВт и практически мало зависящем от природы матрицы при условии отсутствия химического взаимодействия между частицами и матрицей.

В связи с этим в последнее время появился новый тип композиционных термоэлектрических материалов на основе халькогенидов

висмута, технология изготовления которых основана на армировании термоэлектрической матрицы наноразмерными частицами. Введение в матрицу такого термоэлектрического материала высокодисперсных наполнителей наномеррового размера преследует цель максимального повышения отношения электропроводности к теплопроводности синтезируемого композиционного материала за счёт преимущественного снижения по сравнению с подвижностью электронов теплопроводности решётки, обусловленной эффективным рассеиванием длинноволновых фононов.

Так в работе [7] предложен наноструктур-ный объёмный термоэлектрический материал, на основе теллурида висмута и дисперсного наполнителя. В качестве дисперсного наполнителя использованы наночастицы оксидов кремния, олова, алюминия, цинка, циркония, иттрия, фуллерены и углеродные нанотруб-ки. В работе [8] в качестве наполнителя термоэлектрического материала использовали высокодисперсный карбид кремния. Введение нанодисперсных наполнителей позволило повысить температуру рекристаллизации и снизить теплопроводность термоэлектрического материала с 1,5 Вт/мК до 0,6 Вт/мК за счёт рассеяния фононов на границах раздела фаз.

Однако, несмотря на достигнутые результаты, производство термоэлектрических композитов на основе халькогенидов висмута с различными нанодисперсными наполнителями не освоено. Основными причинами этого являются отсутствие совершенных способов изготовления. Анализ существующих способов изготовления показывает, что используемые технологии ограничены в управлении процессом формирования структуры термоэлектрического материала. Существует значительный резерв в дальнейшем повышении термоэлектрической добротности халькогенидов висмута путём разработки новых методов введения в термоэлектрическую матрицу армирующих компонентов различной природы, размера, формы и характера распределения в матричной фазе.

Эффективным методом дальнейшего повышения термоэлектрической добротности может стать синтез армирующих компонентов непосредственно в процессе изготовления термоэлектрического материала. Для реализации этого метода наиболее предпочтительными представляются химические реакции т-

situ, приводящие к образованию в матрице собственных оксидных фаз, не имеющих загрязнений на поверхности и обладающие хорошими межфазными свойствами. При этом по аналогии с дисперсно-упрочнёнными композитами повышаются твёрдость, жёсткость и жаропрочность получаемого термоэлектрического материала, что позволяет надеяться на расширение температурного диапазона его эксплуатации. В работе [9] такой подход позволил установить, что введение в состав традиционно применяемого термоэлектрического материала Bi0,5Sb1,5Te3 p-типа проводимости оксидного наполнителя собственного окисла с концентрацией 0,1-0,3 масс, % повышает термоэлектрическую эффективность материала до ZT = 1,2-1,4.

Целью данной работы является исследование влияния оксидного наполнителя полупроводникового материала матрицы на термоэлектрические параметры композитов с матрицей на основе твердых растворов халькоге-нидов висмута n-типа проводимости в интервале температур 300-600 К.

Образцы и методика эксперимента

Образцы для исследований термоэлектрических параметров получали по стандартной керамической технологии, которая включала несколько этапов с применением холодного и горячего прессования. Применительно к стандартному термоэлектрическому материалу состава Bi2Te2,4Se0,6 n-типа проводимости были проведены исследования по формированию в нём оксидной фазы в количестве 0,1-0,12 масс, %. Выбор такого содержания окисла был связан с оптимальным составом оксидной фазы для термоэлектрического материала состава Bi0,5Sb1,5Te3 p-типа проводимости [9]. После этого образцы подвергали горячему прессованию при температуре Т = 643 -653 К и давлении Р = 500 МПа с выдержкой в течение 10 мин. с получением брикетов размером 34x28^15 мм3. Из полученных брикетов вырезались экспериментальные образцы для исследования термоэлектрических свойств на установке АЛТЕК - 10001.

Результаты эксперимента и их обсуждение

Температурные зависимости термоэлектрических свойств синтезированных образцов приведены на рис. 1-5. На рис. 1 представлены температурные зависимости термоэдс для образов термоэлектрика состава В^Те2^е0,6 п-типа проводимости, полученного по стандартной технологии, применяемой на «Корпорации НПО «РИФ» (кривая 1) и синтезированного образца после окисления холоднопрессован-ной заготовки со степенью окисления 0,11 % (кривая 2). Представленные на рис. 1 температурные зависимости термоэдс исследуемых образцов проходят через максимум, который смещается в область более высоких температур при проведении предварительной термической обработки холоднопрессованной заготовки. Причем после предварительной термической обработки холоднопрессованной заготовки термоэдс в области максимума возрастает.

300 350 400 450 500 550 600 650

т, к

Рис. 1. Температурные зависимости термоэдс для образцов термоэлектрика состава В12Те248е06 п-типа проводимости, полученного по стандартной технологии, применяемой на «Корпорации НПО «РИФ» (кривая 1), и после окисления холоднопрессованной заготовки в количестве 0,11 % (кривая 2)

Температурные зависимости электропроводности (рис. 2) экспериментальных образцов, представленных на рис. 1, носят одинаковый монотонно убывающий характер. Но их значения у образцов, полученных после окисления холоднопрессованной заготовки со степенью окисления 0,11 % (кривая 2), заметно ниже, чем у образца, полученного по стандартной технологии (кривая 1).

300 350 400 450 500 550 600

т, К

Рис. 2. Температурные зависимости электрической проводимости для образцов термоэлектрика состава Bi2Te2,4Seo,6 п-типа проводимости, полученного по стандартной технологии, применяемой на «Корпорации НПО «РИФ» (кривая 1), и после окисления холоднопрессованной заготовки в количестве 0,11 % (кривая 2)

Температурные зависимости теплопроводности для образов термоэлектрика состава В12Те2^е0)6 п-проводимости, полученного по стандартной технологии, применяемой на «Корпорации НПО «РИФ» (кривая 1) и после окисления холоднопрессованной заготовки со степенью окисления 0,11 % (кривая 2), представлены на рис. 3. Наблюдается кардинальное различие кривых теплопроводности исследованных образцов: если у образца, полученного по стандартной технологии, теплопроводность при увеличении температуры от 300 до 600 К изменяется по кривой с резким минимумом (кривая 1), то у образца, полученного после окисления холоднопрессован-ной заготовки со степенью окисления 0,11 %, теплопроводность снижается от 1.45 Вт/(см К) до 1.05 Вт/(см К) при температуре Т ~ 400 К и затем медленно растет с ростом температуры (кривая 2).

т, К

Рис. 3. Температурные зависимости теплопроводности для образцов термоэлектрика состава Bi2Te2,4Se0,6 п-типа проводимости, полученного по стандартной технологии, применяемой на «Корпорации НПО «РИФ» (кривая 1), и после окисления холоднопрессованной заготовки в количестве 0,11 % (кривая 2)

Температурные зависимости термоэлектрической добротности Ъ исследуемых образцов, рассчитанные по уравнению

Ъ=а2о/Х, (3)

где а - коэффициент термоэдс; о - удельная электрическая электропроводность; X - теплопроводность представлены на рис. 4. Если при комнатной температуре величина термоэлектрической добротности образца, полученного по стандартной технологии, применяемой на «Корпорации НПО «РИФ», выше (кривая 1), то при повышении температуры для образца, полученного после окисления холоднопрессован-ной заготовки со степенью окисления 0,11 %, ситуация меняется (кривая 2). Заметное повышение термоэлектрической добротности для образца, полученного после предварительной термической обработки, связано как с увеличением термоэдс образцов, так и с существенным значением теплопроводности вследствие рассеяния фононов на границах зерен, имеющих окисные слои.

300 350 400 450 500 550 600

T, K

Рис. 4. Температурные зависимости термоэлектрической

добротности Z для образцов термоэлектрика состава Bi2Te24Se06 n-типа проводимости, полученного по стандартной технологии, применяемой на «Корпорации НПО «РИФ» (кривая 1), и после окисления холоднопрессованной заготовки в количестве 0,11 % (кривая 2)

Температурные зависимости безразмерного параметра ZT для образцов термоэлектрика состава Bi2Te24Se06 n-типа проводимости, полученного по стандартной технологии, применяемой на «Корпорации НПО «РИФ» (кривая

1) и после окисления холоднопрессованной заготовки со степенью окисления 0,11 % (кривая

2), представлены на рис. 5. Данные зависимости практически повторяют данные рис. 4, однако максимум на зависимости ZT(T) смещается к более высокой температуре Т ~ 550 К и носит более выраженный характер по сравнению с кривой 2 рис. 4.

T, K

Рис. 5. Температурные зависимости термоэлектрической добротности ZT для образцов термоэлектрика состава Bi2Te24Se06 n-типа проводимости, полученного по стандартной технологии, применяемой на «Корпорации НПО «РИФ» (кривая 1), и после окисления холоднопрессованной заготовки в количестве 0,11 % (кривая 2)

Обсудим полученные результаты. Для улучшения термоэлектрических свойств материалов продуктивным направлением в области увеличения термоэлектрической добротности является наноструктурирование, позволяющее квазинезависимо регулировать термоэдс, электро- и теплопроводность благодаря проявлению квантовых эффектов. В настоящее время предложено несколько физических механизмов, позволяющих улучшить термоэлектрическую добротность в объемных наноструктур-ных поликристаллических термоэлектриках: дополнительное фононное рассеяние на границах нанозерен, туннелирование электронов между наноструктурными элементами, фильтрация энергии носителей заряда за счет потенциального барьера между нанозернами [10-12].

Снижение теплопроводности кристаллической решетки можно получить при введении наночастиц по границам зерен матричного материала. Такие системы отличаются большой стабильностью наноструктурного состояния из-за эффекта подавления роста зерен. Однако способ непосредственного формирования оксидных наночастиц на поверхности зерен в процессе получения нанопорошка показал очевидные преимущества перед методом добавления уже готовых оксидных наночастиц. Жао и др. формировали наночастицы оксида Yb2O3 на поверхности частиц YbxCo4Sbi2 методом контролируемого окисления порошка YbxCo4Sb12 с избытком Yb. Наночастицы Yb2O3 располагались по границам и внутри гранул YbxCo4Sb12, приводя к значительному рассеянию фононов, при относительно слабом уменьшении подвижности электронов, что позволило увеличить ZT до 1,3 [13]. Сформировавшаяся на поверхности пор оксидная плёнка наноразмерной толщины на стадии горячего прессования разрушается на отдельные фрагменты, размер, форма и равномерность распределения которых в объёме матричного материала и определяет термоэлектрические характеристики получаемого композита, способствуя повышению термоэлектрической добротности.

Анализ полученных в данной работе результатов по исследованию термоэлектрических свойств показывает, что в интервале температур 300 - 500 К отношение электропроводности к теплопроводности для образцов, полученных по стандартной технологии, применяемой на «Корпорации НПО «РИФ», и после окисления холоднопрессованной заготовки со степенью окисления 0,11 %, практически не

изменилось и рост термоэлектрической добротности в последнем образце связан в основном с ростом термоэдс (кривая 2 на рис. 1). В интервале температур 500 - 600 К наблюдается повышение отношения электропроводности к теплопроводности синтезированного композиционного материала за счёт преимущественного снижения по сравнению с подвижностью электронов теплопроводности решётки, обусловленной эффективным рассеиванием длинноволновых фононов.

Таким образом, введение в термоэлектрическую матрицу окисного наполнителя позволяет сохранить отношение электропроводности к теплопроводности получаемого композиционного материала в интервале температур 300500 К и повысить его при более высоких температурах за счёт преимущественного снижения по сравнению с подвижностью электронов теплопроводности решётки, обусловленной эффективным рассеиванием длинноволновых фононов.

Заключение

Методом двухстадийного прессования (холодного и горячего) получены образцы термоэлектрического композиционного материала состава В^Те2^е0,6 п-типа проводимости с концентрацией оксидного наполнителя 0.11 %. Исследовано влияние температуры на термоэлектрические параметры (термоэдс, электрическую проводимость, коэффициент теплопроводности и термоэлектрическую добротность) синтезированных образцов в интервале температур 300-600 К.

Установлено, что введение в состав термоэлектрического материала состава В^Те2^е0,6 п - типа проводимости оксидного наполнителя с концентрацией 0,11 масс. % позволяет повы-

сить термоэлектрическую эффективность материала до ZT~1.

Литература

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

2. Slack G.A. Thermoelectric Handbook (Ed. D.M. Rowe) // CRC Press, Boca Raton, FL., 1995.

3. Nolas G.J., Sharp J.W., Goldsmid H.J. Thermoelectric: Basics Principles and New Materials Developments // Springer-Verlag, New York, 2001.

4. Pichanusakorn P., Bandaru P. Nanostructured thermoelectric // Material Science and Engineering R. 2010. Vol. 67. P. 19-63.

5. Nan C.W., Birringer R. Determining the Kapitza resistance and the thermal conductivity of polycrystals: a simple model // Phys. Rev. 1998. Vol. 57. P. 8264-8268.

6. Evaluation and Identification of Electrical and Thermal Conduction Mechanisms in Carbon Nanotube. / F.N. Gojny, M.H.G. Wichmann, B. Fiedler et al. // Epoxy Composites. Polymer. 2006. 47. Р. 2036-2045.

7. Патент США №7309830, H01L 35/26, от 18.12.2007 Nanostructured bulk thermoelectric material.

8. Патент Китая CN 1807666, С22С 1/05, С22С 29/00, B22F 29/04, от 26.07.2006.

9. Влияние наноразмерного оксидного наполнителя на свойства халькогенидов висмута p-типа проводимости / Ю.В. Панин, И.С. Ильяшев, Ю.Е. Калинин, А.А. Камынин, К.Г. Королев // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 6. С. 151155.

10. A review on nanostructures of high-temperature thermoelectric materials for waste heat recovery / R. Ovik et al. // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016. V. 64. P. 635-659.

11. Энергетическая фильтрация носителей тока в наноструктурированном материале на основе теллурида висмута / Л.П. Булат, И.А. Драбкин, В.В. Каратаев, В.Б. Освенский, Ю.Н. Пархоменко, Д.А. Пшенай-Северин, Г.И. Пивоваров, Н.Ю. Табачкова // Физика твердого тела. 2011. Т. 53. № 1. С. 29-34.

12. Non-equilibrium processing leads to record high thermoelectric figure of merit in PbTe-SrTe / Tan G. et al. // Nature Communications, 2016. 7. 12167.

13. Synthesis of YbyCo4Sb12/Yb2O3 composites and their thermoelectric properties / X.Y. Zhao, X. Shi, L.D. Chen et al. // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89. P. 092121.

Поступила 02.10.2018; принята к публикации 29.11.2018

Информация об авторах

Панин Юрий Васильевич - канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 8(919)237-58-42, e-mail: yu.panin62@yandex.ru Калинин Юрий Егорович - д-р физ.-мат. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 7(473)246-66-47, e-mail: kalinin48@mail.ru

THERMOELECTRIC MATERIAL BASED ON CHALCOGENIDES OF BISMUTH AND THE N-TYPE CONDUCTIVITY WITH NANOSCALE OXIDE PHASE

Yu.V. Panin, Yu^. Kalinin

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the paper deals with the issues of improving the thermoelectric quality factor of thermoelectric materials used in practice. A significant breakthrough in the improvement of thermoelectric Q (ZT) was made in the 1950s, thanks to the implementation of the concept of solid solutions based on Bi2Te3-Sb2Te3, put forward by the A. F. Ioffe, which was later implemented in practice. In recent years, there has been a new breakthrough in increasing the ZT of thermoelectric materials, based on the concept of creating nanostructured thermoelectric materials. Taking into account the latest trends of thermoelectric q-factor increase, thermoelectric characteristics of the composite material based on solid solutions of Bi2Te3-Se2Te3 n-type conductivity containing na-noscale oxide phase of the main semiconductor material are investigated. Samples for research were synthesized by ceramic technology with a concentration of nanoscale oxide filler 0.1-0.12 mass. %. It was found that the introduction of oxide nanoscale filler leads to an increase in the ratio of electrical conductivity to the thermal conductivity of the material and the growth of thermal e.m.f.. It is shown that the thermoelectric quality factor of the obtained composites reaches a maximum value of ZT = 1 in the temperature range of 500-600 K

Key words: nanocomposites, thermal e.m.f., resistivity, thermal conductivity coefficient

Acknowledgements: The work was carried out with the financial support of the project "Creation of a high-tech production of autonomous current sources based on new generation thermoelectric generator modules", implemented within the framework of the resolution no. 218 03.G25.31.0246

References

1. Shevel'kov A.V. "Chemical aspects of designing thermoelectric materials", Russian Chemical Review (Uspekhi khimii), 2008, vol. 77, no. 1, p. 3-21.

2. Slack G.A., ed. Rowe D.M. "Thermoelectric handbook", CRC Press, Boca Raton, FL., 1995.

3. Nolas G.J., Sharp J.W., Goldsmid H.J. "Thermoelectric: basics principles and new materials developments", Springer-Verlag, New York, 2001.

4. Pichanusakorn P., Bandaru P. "Nanostructured thermoelectric", Material Science and Engineering R, 2010, vol. 67, pp. 19-63.

5. Nan C.W., Birringer R. "Determining the Kapitza resistance and the thermal conductivity of polycrystals: a simple model", Phys. Rev, 1998, vol. 57, pp. 8264-8268.

6. Gojny F.N., Wichmann M.H.G., Fiedler B.et al." Evaluation and identification of electrical and thermal conduction mechanisms in carbon nanotube", Epoxy Composites. Polymer, 2006, vol. 47, pp. 2036-2045.

7. Patent of the USA #7309830, "Nanostructured bulk thermoelectric material", H01L 35/26, 18.12.2007.

8. Patent of China CN 1807666, C22C 1/05, C22C 29/00, B22F 29/04, 26. 07. 2006.

9. Panin Yu.V., Il'yashev I.S., Kalinin Yu.E., Kamynin A.A., Korolev K.G. "Effect of nanosized oxide filler on the properties of bismuth chalcogenides p-type conductivity", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik voronezhskogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, vol. 13, no. 6, pp. 151-155.

10. Ovik R. et al. "A review on nanostructures of high-temperature thermoelectric materials for waste heat recovery", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, vol. 64, pp. 635-659.

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

11. Bulat L.P., Drabkin I.A., Karataev V.V., Osvenskiy V.B., Parkhomenko Yu.N., Pshenay-Severin D.A., Pivovarov G.I., Tabachkova N.Yu. "Energy filtration of charge carriers in nanostructured material based on bismuth telluride", Solid State Physics (Fizika tverdogo tela), 2011, vol. 53, no. 1, pp. 29-34.

12. Tan G. et al. "Non-equilibrium processing leads to record high thermoelectric figure of merit in PbTe-SrTe", Nature Communications, 2016, vol. 7, pp. 12167.

13. Zhao X.Y., Shi X., Chen L.D. et al. "Synthesis of YbyCo4Sb12/Yb2O3 composites and their thermoelectric properties", Appl. Phys. Lett., 2006, vol. 89, pp. 092121.

Submitted 02.10.2018; revised 29.11.2018 Information about the authors

Yuriy V. Panin, Cand. Sc. (Technical), Leading Scientist, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: threeroad@rambler.ru

Yuriy Ye. Kalinin, Dr. Sc. (Phys.-Math.), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: kalinin48@mail.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.