Термоэлектрические свойства композитов на основе теллурида висмута с ферромагнитными включениями

Актуальность работы заключается в том, что в настоящее время поиск способов увеличения эффективности термоэлектрических материалов является главной проблемой как термоэлектрического материаловедения, так и физики полупроводников. Разработка композитов, состоящих из матрицы термоэлектрического материала и наполнителя различной природы, является одним из перспективных способов решения этой проблемы. В термоэлектрических композитах с ферромагнитными включениями помимо механизмов, связанных с формированием границ раздела матрица/наполнитель, реализуются еще дополнительные механизмы, связанные с границами раздела металл/полупроводник, магнитными моментами атомов наполнителя и др., которые могут влиять на термоэлектрическую эффективность материала. Цель - установление и анализ особенностей, закономерностей и механизмов формирования микроструктуры и термоэлектрических свойств композитов, состоящих из матрицы на основе теллурида висмута Bi2Te3 и ферромагнитного наполнителя различных типов (Ni, Co, Fe, Gd). Основные задачи: (1) Получение образцов термоэлектрических композитов систем Bi2Te3+Ni, Bi2Te3+Fe, Bi2Te2,1Se0,9+Сo и Bi2Te3+Gd с помощью метода искрового плазменного спекания исходных порошков материалов матрицы и наполнителя. (2) Определение кристаллической структуры, фазового и элементного состава образцов разрабатываемых термоэлектрических композитов. (3) Установление особенностей микроструктуры «матрица-наполнитель» композитов, в том числе, особенностей внутренней структуры включений наполнителя. (4) Идентификация закономерностей и механизмов влияния температуры искрового плазменного спекания на внутреннюю структуру включений наполнителя в композите Bi2Te2,1Se0,9+0,33 масс. % Co. (5) Идентификация закономерностей и механизмов влияния содержания наполнителя на особенности микроструктуры и термоэлектрических свойств композита Bi2Te3+xNi. Научная новизна работы: (1) Установлено, что в процессе получения композитов систем Bi2Te3+Ni, Bi2Te3+Fe и Bi2Te2,1Se0,9+Сo с помощью искрового плазменного спекания исходных порошков материалов матрицы и наполнителя, включения наполнителя формируются как локально-градиентные включения типа «ядро-оболочка». (2) Показано, что изменение внутренней структуры включений Co@CoTe2 (увеличение доли «оболочки CoTe2» и уменьшение доли ядра Co») в композите Bi2Te2,1Se0,9+0,33 масс. % Co при изменении температуры искрового плазменного спекания связано с увеличением коэффициента диффузии Co в матрице Bi2Te2,1Se0,9. (3) Показано, что увеличение содержания наполнителя в образцах композита Bi2Te3+xNi с x=0, 0,5, 0,85, 1,25 и 1,5 масс. %, спеченных при одинаковой температуре (573 К), сопровождается увеличением доли «оболочки NiTe2» и уменьшением доли «ядра Ni» во включениях Ni@NiTe2, что связано с локальным перегревом включений наполнителя в процессе протекания импульсного тока через электрически-неоднородную среду при искровом плазменном спекании. (4) Установлено, что экстремальная зависимость концентрации электронов проводимости при увеличении содержания наполнителя в композите системы Bi2Te3+Ni связана с конкуренцией двух одновременно действующих механизмов: увеличением концентрации легирующей примеси Ni из-за увеличения числа включений наполнителя, и уменьшением доли «ядер Ni» во включениях. Теоретическая значимость: Установленные особенности, закономерности и механизмы формирования микроструктуры и термоэлектрических свойств разрабатываемых термоэлектрических композитов с магнитоактивным наполнителем развивают физические основы термоэлектрического материаловедения, способствующие получению эффективных термоэлектрических материалов, особенности микроструктуры, элементного и фазового состава которых позволяют целенаправленно оптимизировать их термоэлектрические свойства. Практическая значимость: установленные для разрабатываемых термоэлектрических композитов зависимости «состав-структура-свойства» могут быть использованы при разработке новых или модифицировании существующих термоэлектрических материалов с высокой термоэлектрической добротностью.