CC BY
4
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОМ ОБРАБОТКИ НА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ TbxSnx_xSe
Исмайылов Ш.С.1, Османов С.Ф.2, Пашаев Г.П.3, Аббаскулиев А.С.4 Email: Ismailov6117@scientifictext.ru
1Исмайътов Шариф Сахил оглы, кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник,
Институт радиационных проблем Национальная академия наук Азербайджанской Республики; 2Османов Сабир Фарман оглы - кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой; 3Пашаев Гюндуз Паша оглы - кандидат физико-математических наук, доцент; 4Аббаскулиев Айдын Сахим оглы - кандидат технических наук, доцент, кафедра фундаментальных наук, Азербайджанское высшее военное училище им. Г. Алиева, г. Баку, Азербайджанская Республика
Аннотация: статья посвящена исследованию влияния термической обработки на теплопроводность твердых растворов TbxSnlxSe (x = 0 ^ 0,15) . Исследования теплопроводности проводились в интервале температур T = 77 — 400K до и после термической обработки. Анализ результатов измерений показал, что после термической обработки (T = 573K и 673K ) теплопроводность в образцах при температуре T = 90K растет на (18 — 23)%, а при температуре T = 305 K растет на (9 — 12)00.
Ключевые слова: твердые растворы, термическая обработка, теплопроводность, вакансии, фононы.
EFFECT OF HEAT TREATMENT ON THE THERMAL CONDUCTIVITY OF
SOLID SOLUTIONS TbxS^xSe Ismailov Sh.S.1, Osmanov S.F.2, Pashaev G.P.3, Abbaskuliyev A.S.4
1Ismayilov Sharif Sahil oglu - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Senior Researcher,
INSTITUTE FOR RADIATION PROBLEMS, NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE REPUBLIC OF AZERBAIJAN; 2Osmanov Sabir Farman oglu - Candidate of physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Head of the
Department;
3Pashaev Gunduz Pasha oglu - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor; 4Abbaskuliev Aydin Sahim oglu - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, DEPARTMENT OF FUNDAMENTAL SCIENCES, AZERBAIJAN HIGHER MILITARY SCHOOL NAMED AFTER G. ALIYEV, BAKU, REPUBLIC OF AZERBAIJAN
Abstract: the article is devoted to the study of the effect of heat treatment on the thermal conductivity of solid
solutions TbxSni—xSe (x 0 ' 0,15) . Thermal conductivity studies were carried out in the temperature range T = 77 — 400K before and after heat treatment. Analysis or the measurement results showed that after heat
treatment (T 573K 673K) the thermal conductivity in the samples at temperature T = 90K
increases by (l8 23), and at temperature T = 305 K increases by (9 12)/o . Keywords: solid solutions, heat treatment, thermal conductivity, vacancies, phonons.
УДК 53.3937
Введение
В последние годы возрос интерес к созданию преобразователей тепловой энергии в электрическую на основе термоэлектрических преобразователей. К полупроводниковым материалам, применяемым в подобных преобразователях, выдвигаются требования к устойчивости внешним воздействиям: коррозии, влажности, давлению, радиации и т.д. К таким материалам относятся соединения и твердые растворы на основе AIVBVI с участием редкоземельных металлов [1-4]. Редкоземельные металлы отличаются специфическими свойствами [5, 6]. Атомы редкоземельных металлов (РЗМ) имеют на внутренних 4 f уровнях подвижные электроны, которые с легкостью участвуют в переходах f — d — s, их воздействие на внешние электроны приводит к изменению валентности. В результате участия РЗМ в составах меняются их физические свойства. Составы с участием РЗМ проявляют новые оптические, термоэлектрические, люминефорные, магнитные свойства [7, 8].
В работе [9] были проведены исследования термоэлектрических свойств твердых растворов Сеи Бп^Бт^^е . Авторами было установлено, что твердые растворы этих систем
обладают улучшенными термоэлектрическими свойствами. В работе [10] изучалась теплопроводность
системных сплавов (БпБеУ — (Sm.Se) . Авторы установили, что теплопроводность твердых
1 — X X
растворов заметно уменьшается с ростом содержания РЗМ. По этой причине изучения физических свойств сложных составов с участием РЗМ вызывает большой интерес.
В работе [11] изучалась зависимость термо э.д.с. и электропроводности от температуры и состава в
кристаллах ТЬ Бе . Было установлено, что с ростом содержания тербия, термо э.д.с. и
X 1 X
электропроводность уменьшаются. Это непосредственно связано со степенью ионизации. Аномальные
изменения, наблюдаемые в кристаллах р — БпБе, ослабляются в кристаллах ТЬ Бе. С учетом
X 1 X
вышеуказанных фактов возникла необходимость исследовать теплопроводность, а также влияние термической обработки на теплопроводность твердых растворов ТЬ Бп Бе .
2. Экспериментальная часть
Исследования теплопроводности производились на серии образцов ТЬ Бе ( №1 — X1 = 0,00;
X 1 X
№2 — x2 = 0,005; №3 — ^ = 0,010; №4 — x4 = 0.015) термо э.д.с. и электропроводность которых
были изучены в [11]. Проведенные рентгенефазовый анализ, диференциально термический анализ подтвердили полное соответствие стехиометрии составов. Из кристаллов были изготовлены образцы с
размерами (3х 6 х 20)мм3 и помимо измеренных кинетических параметров в [11] было исследовано
теплопроводность в интервале температур Т = 77 — 420К . Измерения проводились в стационарном режиме компенсационным методом. При измерениях использовались вольтметры марки В7-21; В7-2А, потенциометр марки Р4833, измерительные приборы марки Ц84312 и ТЕС41. Измерения проводились в криостате, в котором был установлен вакуум порядка 0,1 Па. Погрешность измерения составил 6,5%. Значения коэффициента теплопроводности вычислялись по формуле
< — £ Ь
7 =---
ДТ
где < = У -и мощность нагревателя, £ = + бмаг - тепловые потери, связанные с
нагреванием проводов, Qиз] -тепловые потери связанные с излучением, ¿-длина образца, -площадь поперечного сечения образца. В процессе измерения температурный градиент вдоль образца составлял
ДТ = 6 — 8К.
3. Анализ результатов эксперимента
Полученные твердые растворы системы ТЬ Бп Бе являются компенсированными
полупроводниками р-типа. Значение термо-э.д.с. 8 при комнатной температуре уменьшается пропорционально с увеличением содержания ТЬ в составах. В образцах x4 = 0,015 термо-э.д.с.
^(.п.е) 400 Г1„ _
уменьшается в-=-= 2,3 раза , а электропроводность с - уменьшается в 4 раза [11]. Опыты
Б4 175
показали, что энергия активации носителей заряда в образцах уменьшается с увеличением содержания ТЬ . В соединении р — БпБе еакт « 0,62эВ, а при x2 = 0,005 еат,2 ~ 0,50эВ , при Xз = 0,010
еатв, ~ 0,20эВ; при X4 = 0,0 1 5 £аетг4 ~ 0,08эВ. Эти значения энергии активации соответствуют
интервалу температур Т = 300 — 450К . С повышением температуры за счет активации более внутренних энергетических уровней повышается электропроводимость исследуемых образцов
(Т > 500К [и]) •. В данной работе, как продолжение [11] исследованы теплопроводность и влияние термической обработки на теплопроводность этих образцов. Результаты исследований приведены на рисунке 1, а также в таблицах. Как видно из рисунка, с увеличением содержания тербия в составах уменьшается величина коэффициента теплопроводности 7. С другой стороны с ростом температуры
значение общей теплопроводности %о6щ уменьшается. Темп уменьшения 7 в этих составах, в отличие от
кристалла БпБе , различен. Надо отметить, что электронная доля 7 мала: при Т = 77 — 300К имеет
величина %эл « 0,006 — 0,008% . По этой причине %об « %реш . Как видно из графиков, величина коэффициента теплопроводности относительно низка,уменьшение % с температурой в 3 ^ 6 раз.
Таблица 1. Данные по теплопроводности до и после термической обработки и процентный рост
До термической обработки
Составы 1Л—1 Вт %-10 1- T=90K м-К —1 Вт % -10 1- T=305K м-К
0,0 65 17,8
0,005 45 13
0,010 38 9,1
0,015 29 7,2
После термической обработки T=573K; t=120 часов
Составы %-ю- Втк м-К Т=90К рост % —1 Вт %-10 1- T=305K м К рост %
0,0 71,7 10,31 19,05 12,06
0,005 49,6 10,22 14,4 10,77
0,010 42,8 12,63 9,96 9,50
0,015 32,9 13,45 7,68 6,67
После термической обработки Т=673; 1=120 часов
Составы %-10- В1 м К T=90K рост % —1 Вт %-10 1- T=305K м К рост %
0,0 76,7 18 19,8 11,24
0,005 55,6 23,66 14,6 12,31
0,010 46,8 23,2 10,19 11,98
0,015 33,68 16,14 7,83 8,75
В таблицах представлены данные по теплопроводности до и после термической обработки, а также указан процентный рост %.
Рис. 1. Зависимость теплопроводности кристаллов Tb^Sn^ Se от температуры
1 - х = 0,00
2 - х = 0,005
3 - х = 0,010
4 - х = 0,015
Полученные результаты показывают, что термическая обработка улучшает теплопроводность составов. Это обусловлено тем, что термическая обработка компенсирует часть центров вакансий, образованных из-за избытка атомов Se, и улучшает перенос теплового потока (ослабляет ангормонизм фононных процессов). Таким образом, было установлено, что исследованные твердые растворы обладают p-типом проводимости в интервале температур T=77-400K имеют низкую теплопроводность. Термическая обработка очищает часть вакантных центров и одновременно увеличивает порядок атомов в кристалле. И это улучшает стационарный тепловой поток в кристалле, чем объясняется в целом процентное изменение .
Список литературы /References
1. Под ред. В.П. Жузе «Физические свойства халькогенидов редкоземельных элементов». Наука. Л.,
1973, 303 с.
2. Ismailov Sh.S., Huseynov I.I., Musaev M.A. and Abbasov V.A. Abdurakhmanova «Effect of doping level and
compensation thermal conductivity in Ce Sn_ Se solid solutions » Low Temperature Physics /Fizika
х 1 х
Nizkikh Temperatur, 2020. Vol 46. № 11. Pp. 1310-1317.
3. Wang S., Hui S., Peng К., Bailcy T.P., Liu W., Yan Y., Hou Х., TangX.and Uher С. Appl. Phys. Lett. 112, 142102 (2018).
4. Burton M.R., Mehraban S., Beynon D., MeGettrick S., Watson Т., Lavery N.P. and Carnie M.I. Adv. Energy Mater. 9.1900201 (2019).
5. Huseynov I.I., Murquzov M.I., Mamedova R.F. and Ismailov Sh.S. «Thermal Condactivity and Termal EMF of materials for Thermal Energy Converters». In TPE-06.3rd Intern. Conf.on Tehnical and Physical Problems in Power Engineering. Ankara (2006). Р. 804.
6. Papuri S.R., Pollet М., Decourt R., Viciu M.L. and Bos I. W.G. Appl, Phys. Lett 110(25), 2017.
7. Li S., Tong Z. andBao Н. I. Appl. Phys. 126 (2) 025111 (2019).
8. Abdurahmanova V.d. " (SnSeV — (SmSe) sistem arintilarinin istilikkegiriciliyi" BDU (2017).
1 — х х
9. Штерн Ю.Ц. «Методика исследования тепло- и электрофизических свойств материалов». Ж. Заводская лаборатория, 2008. № 6. Том 74. С. 32-36.
10. Попов П.А., Федоров П.П., Осико В.В. «Теплопроводность монокристаллов со структурой флюорита». Физика твердого тела, 2010. Том 52. В. 3. С. 469-472.
11. Osmanov S.F., Pa§ayev G.P., ismayilov §.S., Safararova S.T., Hasanova M.d. « Tb Sn_ Se kristallarinda
х 1 х
termo e.h.q. va elektrik kegiriciliyinin tarkib va temperatur asililigi» Heydar Oliyev adina Azabaycan Ali Harbi Maktabinin Elmi Osarlar Macmuasi, 2019. № 2(33). 56-59.
