Влияние термической обработки на термоэлектрические и механические свойства твердого раствора Bi2Te2.5Se0.5 n-типа проводимости, полученного методом экструзии

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В работе проведено сравнение механических и термоэлектрических параметров сплава Bi2Te2.5Se0.5, полученного зонной перекристаллизацией и экструзией. Исследовано влияние термической обработки на предел прочности и термоэлектрическую добротность твердого раствора n-типа проводимости, полученного методом экструзии. Измерены термоэлектрические параметры: коэффициент Зеебека, удельная электропроводность и теплопроводность при комнатной температуре и в интервале температур 300–430 К. Рассчитан коэффициент термоэлектрической добротности ZТ. Максимальное значение ZT = 1.0 ± 0.1 при 340 К зафиксировано для образцов, полученных зонной перекристаллизацией, в то время как максимальная величина ZT = 0.90 ± 0.1 установлена для образцов, полученных экструзией. Термическая обработка в вакуумном термостате при температуре 573 К в течение 24 ч образцов, полученных экструзией, привела к росту максимальных значений ZT до 0.96 ± 0.1 и предела прочности σb до 165 МПа.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. А. Юрьев

АО “РИФ”; Воронежский государственный технический университет

Author for correspondence.
Email: vlad.yriev@yandex.ru
Russian Federation, ул. Дорожная, 17/2, Воронеж, 394062; ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж, 394006

А. Г. Чуйко

АО “РИФ”

Email: vlad.yriev@yandex.ru
Russian Federation, ул. Дорожная, 17/2, Воронеж, 394062

Ю. Е. Калинин

Воронежский государственный технический университет

Email: vlad.yriev@yandex.ru
Russian Federation, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж, 394006

А. А. Гребенников

Воронежский государственный технический университет

Email: vlad.yriev@yandex.ru
Russian Federation, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж, 394006

М. А. Каширин

Воронежский государственный технический университет

Email: vlad.yriev@yandex.ru
Russian Federation, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж, 394006

References

  1. Гольцман Б.М., Кудинов В.А., Смирнов И.А. Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе Bi2Te3. М.: Наука, 1972. 320 с.
  2. Соловьев Б.А., Гамисония Г.К., Димукашева Г.Е., Коломеец Д.А. Применение термоэлектрического модуля Пельтье в технологиях охлаждения и генерации электроэнергии // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2023. Т. 19. № 4. С. 127–136. https://doi.org/10.17122/1999-5458-2023-19-4-127-136
  3. Иванова Л.Д., Гранаткина Ю.В., Мальчев А.Г., Нихезина И.Ю., Емельянов М.В., Никулин Д.С. Термоэлектрические и механические свойства твердых растворов Sb2Te3–Bi2Te3, легированных свинцом // Неорган. материалы. 2020. Т. 56. № 3. С. 247–252. https://doi.org/10.31857/S0002337X20030057
  4. Сорокин А.И., Иванцов М.С., Табачкова Н.Ю., Бублик В.Т., Скипидаров С.Я., Дашевский З.М. Разработка технологии высокопрочных термоэлектриков диаметром до 35 мм на основе поликристаллов Bi2Te3 методом горячей экструзии // Физика и техника полупроводников. 2022. Т. 56. № 1. С. 17–21. https://doi.org/10.21883/FTP.2022.01.51805.07
  5. Скипидаров С.Я., Курганов В.А. Твердые растворы Bi2Te3-Sb2Te3-Sb2Se3-Bi2Se3 n- и p-типов проводимости с повышенной механической прочностью: Патент RU 2774636 C1 от 26.10.2021. Опубликован 21.06.2022 (H01L 35/16, C22C 12/00).
  6. Lavrentev M.G., Osvenskii V.B., Parkhomenko Yu.N., Sorokin A.I., Pivovarov G.I., Bulat L.P., Snyder G.J., Kim H.S., Witting I.T., Bublik V.T., Tabachkova N.Yu. Improved Mechanical Properties of Thermoelectric (Bi0.2Sb0.8)2Te3 by Nanostructuring // APL Mater. 2016. V. 4. № 10. P. 104807. https://doi.org/10.1063/1.495317
  7. Lavrentev M.G., Drabkin I.A., Ershova L.B., Volkov M.P. Improved Extruded Thermoelectric Materials // J. Electron. Mater. 2020. № 49. P. 2937. https://doi.org/10.1007/s11664-020-07988-0
  8. Иванова Л.Д., Петрова Л.И., Гранаткина Ю.В., Никулин Д.С., Райкина О.А. Кристаллизация и механические свойства твердых растворов халькогенидов висмута и сурьмы // Неорган. материалы. 2016. Т. 52. № 3. С. 289–296. https://doi.org/10.7868/S0002337X16030040
  9. Гриднев С.А., Калинин Ю.Е., Макагонов В.А. Физические основы увеличения термоэлектрической добротности наноструктурированных материалов // Альтернативная энергетика и экология. 2019. № 34–36 (318–323). С. 41–72.
  10. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М.: Изд-во АН СССР, 1956. 194 с.
  11. Lavrent’ev M.G., Osvenskii V.B., Pivovarov G.I., Sorokina A.I., Bulat L.P., Bublik V.T., Tabachkova N.Yu. Mechanical Properties of (Bi,Sb)2Te3 Solid Solutions Obtained by Directional Crystallization and Spark Plasma Sintering // Tech. Phys. Lett. 2016. V. 42. № 1. P. 105–107. https://doi.org/10.1134/S1063785016010260
  12. Юрьев В.А., Чуйко А.Г., Калинин Ю.Е., Гребенников А.А., Каширин М.А. Влияние термической обработки на термоэлектрические и механические свойства твердого раствора Bi0.5Sb1.5Te3 p-типа проводимости, полученного методом экструзии // Физика и техника полупроводников. 2024. Т. 58. № 2. С. 63–67. https://doi.org/10.61011/FTP.2024.02.57870.14T
  13. Shtremel M.A. Strnegth of Alloys. Part I. Deformation: Textbook for Institutions of Higher Education. M.: MISiS Publ., 1997.
  14. Валиев Р.З. Новые исследования парадокса прочности и пластичности в наноматериалах // Вестн. СПбГУ. Математика. Механика. Астрономия. 2020. Т. 7 (65). № 1. С. 112–127. https://doi.org/10.21638/11701/spbu01.2020.112
  15. Valiev R.Z., Parfenov E.V., Raab G.I., Semenova I.P. Study and Development of Nanostructured Metals for Production of Medical Implants and Equipment // MTD. 2019. V. 1. № 1. Р. 42–47.
  16. Герасимова Н.С. Кристаллические решетки и их дефекты: уч. пособие по курсу “Материаловедение”. Калуга: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. 72 с.
  17. Ормонт Б.Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников: уч. пособие для студентов техн. вузов / Под ред. Глазова В.М. М.: Высш. школа, 1982. 528 с.
  18. Физическое металловедение / Под ред. Кана Р.У., Хаазена П. В 3 т. Т. 1. Атомное строение металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1987. 640 с.
  19. Петрик М.В., Кузнецов А.Р., Еникеев Н.А., Горностырев Ю.Н., Валиев Р.З. Особенности взаимодействия легирующих элементов с границами зерен и образование сегрегаций в сплавах Al–Mg и Al–Zn // Физика металлов и металловедение. 2018. Т. 119. № 7. С. 647–652.
  20. Мавлютов А.М., Латынина Т.А., Мурашкин М.Ю., Валиев Р.З., Орлова Т.С. Влияние отжига на микроструктуру и механические свойства ультрамелкозернистого технически чистого Al // Физика твердого тела. 2017. Т 59. № 10. С. 1949–1955. https://doi.org/10.21883/FTT.2017.10.44964.094
  21. Современная кристаллография (в четырех томах). Т. 4. Физические свойства кристаллов / Шувалов Л.А., Урусовская А.А., Желудев И.С. и др. М.: Наука, 1981.
  22. Павлык Б.В., Лыс Р.М., Дидык Р.И., Шикоряк И.А. Особенности одноосной упругой деформации кристаллов p-Si, облученных рентгеновскими лучами // Физика и техника полупроводников. 2015. Т. 49. № 5. С. 638–643.
  23. Gridnev S.A., Kalinin Yu.E., Dybov V.A., Popov I.I., Kashirin N.A., Tolstykh M.A. Internal Friction in Thin-film Ferrite Bismuth with an Amorphous Structure // J. Alloys Compd. 2022. V. 918. P. 165610. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165610
  24. Белоногов Е.К., Гребенников А.А., Дыбов В.А., Костюченко А.В., Кущев С.Б., Сафонов И.А., Сериков Д.В., Юрьев В.А. Влияние фотонной обработки на структуру и субструктуру термоэлектрического материала Bi2Te3–хSeх // Перспективные материалы. 2019. № 12. С. 31–38. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2019-12-31-38
  25. ГОСТ 25.503-97 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Метод испытания на сжатие. 01.07.99. М.: Изд-во стандартов, 1997. 24 с.
  26. Zhilova O.V., Pankov S.Yu., Sitnikov A.V., Kalinin Yu.E., Volochaev M.N., Makagonov V.A. Structure and Electrophysical Properties of Thin-film SnO2–In2O3 Heterostructures // J. Mater. Sci. – Mater. Electron. 2019. V. 30. P. 11859–11867. https://doi.org/10.1007/s10854-019-01503-w
  27. Иванова Л.Д. Термоэлектрические материалы для различных температурных уровней // Физика и техника полупроводников. 2017. Т. 51. № 7. С. 948–951.
  28. Иванова Л.Д., Гранаткина Ю.В., Мальчев А.Г., Нихезина И.Ю., Емельянов М.В., Никулин Д.С. Механические и термоэлектрические свойства твердых растворов халькогенидов висмута, полученных кристаллизацией в жидкости // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 11. С. 1250–1255. https://doi.org/10.1134/S0002337X18120072
  29. Bahl S., Xiong L., Allard L.F., Michi R.A., Poplawsky J.D., Chuang A.C., Singh D., Watkins T.R., Shin D., Haynes J.A., Shyam A. Aging behavior and strengthening mechanisms of coarsening resistant metastable θ precipitates in an Al–Cu alloy // Mater. Design. 2021. V. 198. P. 109378. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109378
  30. Chen X., Zhan L., Ma Z., Xu Y., Zheng Q., Cai Y. Study on tensile/compressive asymmetry in creep ageing behavior of Al–Cu alloy under different stress levels // J. Alloys Compd. 2020. V. 843. P. 156157. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156157
  31. Трусов П.В., Швейкин А.И. Многоуровневые модели моно- и поликристаллических материалов: теория, алгоритмы, примеры применения. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2019. 605 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Diffraction pattern of the Bi2Te2.5Se0.5 sample.

Download (141KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Micrographs of sections (a, b) and chips (c, d) of Bi2Te2.5Se0.5 samples obtained by zone recrystallization (a, c) and extrusion (b, d).

Download (789KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Micrographs of a cleavage of a Bi2Te2.5Se0.5 ingot obtained by extrusion, before (a) and after annealing (b).

Download (521KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. SEM images of chips of samples obtained by zone recrystallization (a) and extrusion (b).

Download (700KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Temperature dependences of specific electrical conductivity (a), Seebeck coefficient (b), specific thermal conductivity (c) and thermoelectric figure of merit (d) of Bi2Te2.5Se0.5 samples obtained by zone recrystallization (1) and extrusion (2).

Download (264KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Temperature dependences of specific electrical conductivity (a), Seebeck coefficient (b), specific thermal conductivity – total (c) and lattice (d) – and thermoelectric figure of merit (d) of Bi2Te2.5Se0.5 samples before (1) and after heat treatment at a temperature of 573 K for 24 h (2).

Download (378KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. σc–e curves of Bi2Te2.5Se0.5 samples in the initial state, obtained by extrusion (2), zone recrystallization (1) (a), as well as extruded samples before (1) and after heat treatment at a temperature of 573 K for 24 h (2) (b).

Download (122KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences