Оптимизация термоэлектрических свойств и повышение термоэлектрической добротности материалов с помощью инженерии дефектов различной природы и размерности

Целью работ при выполнении государственного задания № 0625-2020-0015 является установление закономерностей и идентификация физических механизмов влияния дефектов различной природы и размерности на электрические и тепловые свойства соединений на основе халькогенидов, развивающие научные и технологические подходы к оптимизации термоэлектрических свойств этих соединений и повышения их термоэлектрической добротности. Объектами для исследования являются: 1. Высокоэнтропийные сплавы на основе систем (BiSbTe1,5Se1,5)1-xCux и Pb1-xSnTeSeRx (R=Gd, Lu, Tm) 2. Нанокомпозиты на основе матрицы из теллурида висмута и магнитоактивного наполнителя. 3. Поликристаллические (как текстурированные, так и нетекстурированные) соединения на основе теллурида висмута (как легированные, так и чистые). Основные работы второго этапа выполнения проекта были направлены на установление закономерностей и механизмов изменения термоэлектрических свойств (тип, концентрация и Холловская основных носителей тока, электропроводность, коэффициент Зеебека, фактор мощности, полная теплопроводность с вкладами от фононной теплопроводности, теплопроводности носителей заряда, биполярной теплопроводности, термоэлектрическая добротность) образцов разрабатываемых материалов в зависимости от особенностей их дефектной структуры (тип и концентрация дефектов). Методы и методология исследования: в качестве дефектов для оптимизации термоэлектрических свойств материалов использованы: 1. Примесные атомы, действующие как точечные (нуль-мерные) дефекты, создающие примесные зоны, располагающиеся внутри или частично перекрывающиеся с разрешенными энергетическими зонами (зоной проводимости или валентной зоной), и с резким изменением плотности состояний в примесной зоне. В случае, если уровень Ферми располагается вблизи примесной зоны, коэффициент Зеебека может значительно увеличиваться, как за счет увеличения эффективной массы плотности состояний, так и за счет уменьшения подвижности носителей заряда при их резонансном рассеянии. 2. Межзеренные границы, являющиеся двумерными дефектами. Такие границы будут эффективно рассеивать коротковолновые фононы, что приведет к уменьшению теплопроводность кристаллической решетки, а также будут способствовать увеличению коэффициента Зеебека за счет явления фильтрации энергии электронов.3. Магнитоактивные нановключения (наполнитель в объемных нанокомпозитах с матрицей на основе теллурида висмута), действующие как трехмерные дефекты. Изменение термоэлектрических свойств может быть обеспечено за счет: а) рассеяния фононов на границах раздела матрица/наполнитель, приводящим к уменьшению решеточной теплопроводности; б) эффекта фильтрации электронов по энергии при их туннелировании через границы раздела, приводящим к увеличению коэффициента Зеебека; в) дополнительного рассеяния носителей тока на магнитных моментах частиц наполнителя (аналогично эффекту Кондо), который проявляет в матрице суперпарамагнитные свойства, приводящее к уменьшению подвижности электронов; г) увеличения концентрации электронов за на «выпрямляющем» контакте «металл-полупроводник», соответствующим границе раздела матрица/наполнитель, влияющим как на электропроводность и электронную теплопроводность материала, так и на коэффициент Зеебека.