Исследование термического расширения наноструктурированных материалов на основе PbTe И GeTe

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

Дилатометрическим методом проведены исследования теплового расширения наноструктурированных термоэлектрических материалов (ТЭМ), полученных искровым плазменным спеканием нанодисперсного порошка из синтезированных PbTe (0.3 мас.% PbI2 и 0.3 мас.% Ni) n-типа и GeTe (7.2 мас.% Bi) p-типа. Плотность полученных ТЭМ составила 97–98% от плотности синтезированных материалов. Установлено, что термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) PbTe с ростом температуры увеличивается с 20.14 × 10–6 К–1 при 550 К до 23.07 × 10–6 К–1 при 900 К. ТКЛР GeTe с ростом температуры падает от 13.94 × 10–6 К–1 при 550 К до 11.93 × 10–6 К–1 при 675 К, затем растет до 24.47 × 10–6 К–1 при 900 К. Проведено сравнение ТКЛР наноструктурированных материалов и материалов, полученных традиционными методами. При температурах от 300 до 750 К значения ТКЛР PbTe и GeTe различаются на 15–40%, что может приводить к разрушению термоэлементов.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

Ю. Штерн

Национальный исследовательский университет “Московский институт электронной техники”

Email: m.s.rogachev88@gmail.com
Rússia, пл. Шокина, 1, Зеленоград, Москва, 124498

М. Рогачев

Национальный исследовательский университет “Московский институт электронной техники”

Autor responsável pela correspondência
Email: m.s.rogachev88@gmail.com
Rússia, пл. Шокина, 1, Зеленоград, Москва, 124498

М. Штерн

Национальный исследовательский университет “Московский институт электронной техники”

Email: m.s.rogachev88@gmail.com
Rússia, пл. Шокина, 1, Зеленоград, Москва, 124498

А. Шерченков

Национальный исследовательский университет “Московский институт электронной техники”

Email: m.s.rogachev88@gmail.com
Rússia, пл. Шокина, 1, Зеленоград, Москва, 124498

Н. Табачкова

Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”

Email: m.s.rogachev88@gmail.com
Rússia, Ленинский пр., 4, стр. 1, Москва, 119049

Bibliografia

  1. Shi X.L., Zou J., Chen Z.G. Advanced thermoelectric design: from materials and structures to devices // Chem. Rev. 2020. V. 120. № 15. P. 7399–7515. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00026
  2. Sauerschnig P., Jood P., Ohta M. Improved high‐temperature material stability and mechanical properties while maintaining a high figure of merit in nanostructured p‐type PbTe‐based thermoelectric elements // Adv. Mater. Technol. 2023. V. 8. № 5. P. 2201295. https://doi.org/10.1002/admt.202201295
  3. Zhai J., Wang T., Wang H., Su W., Wang X., Chen T., Wang C. Strategies for optimizing the thermoelectricity of PbTe alloys // Chin. Phys. B. 2018. V. 27. № 4. P. 047306. https://doi.org/10.1088/1674-1056/27/4/047306
  4. Штерн М.Ю. Наноструктурированные термоэлектрические материалы для температур 200–1200 К, полученные искровым плазменным спеканием // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 6. С. 695–706.
  5. Штерн М.Ю., Шерченков А.А., Штерн Ю.И., Рогачев М.С., Бабич А.В. Термоэлектрические свойства и термическая стабильность наноструктурированных термоэлектрических материалов на основе PbTe, GeTe и SiGe // Российские нанотехнологии. 2021. Т. 16. № 3. С. 399–408. https://doi.org/10.1134/S1992722321030171
  6. Shtern M., Sherchenkov A., Shtern Y., Borgardt N., Rogachev M., Yakubov A., Babich A., Pepelyaev D., Voloshchuk I., Zaytseva Y., Pereverzeva S., Gerasimenko A., Potapov D., Murashko D. Mechanical properties and thermal stability of nanostructured thermoelectric materials on the basis of PbTe and GeTe // J. Alloys Compd. 2023. V. 946. P. 169364-1–169364-16. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169364
  7. Zheng Y., Tan X.Y., Wan X., Cheng X., Liu Z., Yan Q. Thermal stability and mechanical response of Bi2Te3-based materials for thermoelectric applications // ACS Appl. Energy Mater. 2019. V. 3. № 3. P. 2078–2089. https://doi.org/10.1021/acsaem.9b02093
  8. Male J.P., Hanus R., Snyder G.J., Hermann R.P. Thermal evolution of internal strain in doped PbTe // Chem. Mater. 2021. V. 33. № 12. P. 4765–4772. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c01335
  9. Wang X.K., Veremchuk I., Bobnar M., Zhao J.T., Grin Y. Solid solution Pb1−xEuxTe: constitution and thermoelectric behavior // Inorg. Chem. Front. 2016. V. 3. № 9. P. 1152−1159. https://doi.org/10.1039/c6qi00161k
  10. Yoneda S., Kato M., Ohsugi I.J. Anomalous thermal expansion of Pb–Te system semiconductors // J. Appl. Phys. 2010. V. 107. P. 074901-1–074901-6. https://doi.org/10.1063/1.3361282
  11. Hong M., Zou J., Chen Z.G. Thermoelectric GeTe with diverse degrees of freedom having secured superhigh performance // Adv. Mater. 2019. V. 31. № 14. P. 1807071. https://doi.org/10.1002/adma.201807071
  12. Zhang C., Yan G., Wang Y., Wu X., Hu L., Liu F., Ao W., Cojocaru-Mirédin O., Wuttig M., Snyder G.J., Yu Y. Grain boundary complexions enable a simultaneous optimization of electron and phonon transport leading to high‐performance GeTe thermoelectric devices // Adv. Energy Mater. 2023. V. 13. № 3. P. 2203361. https://doi.org/10.1002/aenm.202203361
  13. Wiedemeier H., Siemers P.A. The thermal expansion of GeS and GeTe // Z. Anorg. Allg. Chem. 1977. V. 431. № 1. P. 299–304. https://doi.org/10.1002/zaac.19774310134
  14. Bai G., Yu Y., Wu X., Li J., Xie Y., Hu L., Liu F., Wuttig M., Cojocaru-Mirédin O., Zhang C. Boron strengthened GeTe‐based alloys for robust thermoelectric devices with high output power density // Adv. Energy Mater. 2021. V. 11. № 37. P. 2102012. https://doi.org/10.1002/aenm.202102012
  15. Minikayev R., Safari F., Katrusiak A., Szuszkiewicz W., Szczerbakow A., Bell A., Elizabieta D., Paszkowicz W. Thermostructural and elastic properties of PbTe and Pb0.884Cd0.116Te: a combined low-temperature and high-pressure X-ray diffraction study of Cd-substitution effects // Crystals. 2021. V. 11. № 9. P. 1063. https://doi.org/10.3390/cryst11091063
  16. Xing T., Song Q., Qiu P., Zhang Q., Xia X., Liao J., Liu R., Huang H., Yang J., Bai S., Ren D., Shi X., Chen L. Superior performance and high service stability for GeTe-based thermoelectric compounds // Natl. Sci. Rev. 2019. V. 6. № 5. P. 944–954. https://doi.org/10.1093/nsr/nwz052
  17. Wang L., Li J., Xie Y., Hu L., Liu F., Ao W., Luo J., Zhang C. Tailoring the chemical bonding of GeTe-based alloys by MgB2 alloying to simultaneously enhance their mechanical and thermoelectric performance // Mater. Today Phys. 2021. V. 16. P. 100308. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2020.100308
  18. Li J., Zhao S., Chen J., Han C., Hu L., Liu F., Ao W., Li A., Xie H., Zhang C. Al–Si alloy as a diffusion barrier for GeTe-based thermoelectric legs with high interfacial reliability and mechanical strength // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. № 16. P. 18562–18569. https://doi.org/10.1021/acsami.0c02028
  19. Орешко Е.И., Уткин Д.А., Ерасов В.С., Ляхов А.А. Методы исследования микротвердости материалов (обзор) // Тр. ВИАМ. 2020. Т. 85. № 1. С. 101–117. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2020-0-1-101-117
  20. Shtern M.Yu., Matyna L.I., Rogachev M.S., Merlyan A.P. Investigation of the composition and mechanical strength of effective thermoelectric materials // IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (Jan. 26–29). Moscow and St. Petersburg. 2021. P. 2481–2484. https://doi.org/10.1109/ElConRus51938.2021.9396337
  21. Hayashi T., Sekine M., Suzuki J., Horio Y., Takizawa H. Thermoelectric and mechanical properties of angular extruded Bi0.4Sb1.6Te3 compounds // Mater. Trans. 2007. V. 48. № 10. P. 2724–2728. https://doi.org/10.2320/matertrans.MRA2007114
  22. Shtern Y.I., Rogachev M.S., Bublik V.T., Tarasova I.V., Pozdniakov A.V. The results of thermal expansion investigation for effective thermoelectric materials // Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (Jan. 28–31). Moscow. 2019. P. 1932–1936. https://doi.org/10.1109/EIConRus.2019.8656804

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. X-ray diffraction patterns of nanostructured PbTe (a) and GeTe (b) samples.

Baixar (133KB)
Metadados
3. Fig. 2. Micrographs of PbTe (a, b) and GeTe (v, g) samples after SPS, obtained by SEM (a, v) and TEM (b, g).

Baixar (281KB)
Metadados
4. Fig. 3. Temperature dependences of Δl/l0 (a) and CTE (b) for PbTe (0.3 wt.% PbI2 and 0.3 wt.% Ni) and GeTe (7.2 wt.% Bi).

Baixar (153KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2025