Термоэлектрические свойства новых гетерогенных систем на основе оксидов и теллуридов металлов

Цель данной работы - установление влияния наноструктурного состояния на термоэлектрические свойства гетерогенных систем на основе оксидов и халь-когенидов металлов, являющихся потенциальными термоэлектрическими мате-риалами. Объекты исследования – образцы объемных образцов композитов на осно-ве оксидов меди с разным содержанием и типом углеродного наполнителя и тон-копленочных наноструктурированных материалов на основе ZnO, полученных по золь-гель технологии; образцы тонких пленок на основе ZnO, In2O3, модифи-цированные углеродом; образцы тонких пленок на основе ZnO, легированных Fe, с использованием методики ионно-лучевого распыления; тонкие пленки Ca-Co-O, полученные методом ВЧМР. В ходе проведения проекта, было исследованы влияние получения, струк-туры и фазового состава на термоэлектрические свойства гетерофазных систем на основе оксидных полупроводников, как объемных, так и тонкопленочных. Было установлено, что тонкие пленки ZnO, легированные Fe с содержанием от 2,7 до 5 ат. %, являются монофазными и поликристаллическими, характери-зуются текстурированной фазой гексагонального ZnO с осью текстуры <001>, при этом с ростом содержания железа степень текстурированности растет. Из анализа результатов исследований коэффициента термоэдс и эффекта Холла сле-дует, что тонкие пленки ZnO:Fe с концентрацией Fe от 2,7 до 5 ат. % являются полупроводниками с электронным типом проводимости. С увеличением концен-трации железа от 2,7 до 5 ат .% в пленках ZnO наблюдается немонотонное изме-нение величины удельного электросопротивления и коэффициента термоэдс, что связано с зависимостью подвижности носителей заряда, которая в свою очередь зависит от степени текстурированности тонких пленок ZnO, процессов рассеяния носителей заряда на ионах примеси, проявляющихся на фоне уменьшения кон-центрации носителей заряда. Исследовано влияние углеродного наполнителя на электрическое сопро-тивление и термоэдс объемных композитов на основе оксида меди CuO, получен-ных по керамической технологии методом горячего прессования. Установлено, что зависимости удельного электрического сопротивления от концентрации наполнителя характеризуются S-образными кривыми, типичными для перколя-ционных систем, при этом величина удельного электрического сопротивления убывает сильнее с увеличением содержания углерода по сравнению с уменьше-нием значения термоэдс, что сопровождается наличием максимума фактора тер-моэлектрической мощности в области порога протекания. Установлен оптимальный состав исходного раствора для золь-гель техно-логии получения пленок наноструктурированных материалов на основе ZnO, а также выявлена зависимость морфологии получаемых образцов от внесенных прекурсоров и их концентрации. Экспериментально исследованы электрофизиче-ские и оптические свойства наноструктурированных пленок на основе ZnO, по-лученных золь-гель методом. Методом послойного осаждения получены тонкие пленки ZnO-С и In2O3-С. Полученные образцы во всем диапазоне толщин не являются многослойными, а представляют собой нанокристаллиты оксидного полупроводника, хаотически расположенные в аморфной матрице углерода. Установлено, что тонкопленочные образцы ZnO-С имеют электронный тип проводимости, и электросопротивление на 1-2 порядка ниже, чем в образцах пленок чистого ZnO. Добавление углерода приводит к уменьшению значений термоэдс пленок ZnO-C для всех толщин, исследованных в работе. С увеличени-ем толщины фактор термоэлектрической мощности как пленок чистого ZnO, так и пленок ZnO-C растет. Добавление углерода приводит к увеличению фактора термоэлектрической мощности в пленках ZnO-C относительно чистого ZnO при толщинах пленки менее 70 нм и уменьшению при толщинах пленки более 70 нм Добавление углерода приводит к увеличению удельного электрического сопротивления системы In2O3-С более чем на порядок величины по сравнению с чистым In2O3 для всех толщин, исследованных в работе. Термоэдс пленок In2O3 и In2O3-C с ростом толщины имеет тенденцию к насыщению (до значения ~ 28 мкВ/К), при этом в области малых толщин (менее 100 нм) термоэдс модифи-цированных углеродом пленок In2O3 становится больше, чем в чистых In2O3. До-бавление углерода приводит к уменьшению фактора термоэлектрической мощ-ности пленок In2O3-С относительно пленок чистого In2O3. Значение фактора тер-моэлектрической мощности для всех исследованных в данной работе систем со-ставило менее PF = 1.4 мкВт∙см-1∙K-2, что примерно на порядок ниже соответ-ствующей величины, реализуемой в традиционных термоэлектрических матери-алах. По керамической технологии были синтезированы мишени Ca3Co4O9. Уста-новлено что пленки Ca-Co-O в исходном состоянии, полученные распылением мишени стехиометрического состава (Са:Со = 0,75), при различных условиях имеют меньшее соотношение атомов металлов (Са:Со от 0,5 до 0,62). Морфоло-гия получаемых образцов свидетельствует о сложных процессах при формиро-вании и росте пленок Ca3Co4O9 и локальных неоднородостях микронного мас-штаба. Установлено, что образцы состоят из двух: фаз оксида кобальта CoO и CaxCoO2. Выявлены изменения фазового состава пленок в процессе физико-химических превращений [CoO и CaxCoO2] → [Co3O4 и Ca3Co4O9] → [Co3O4 и CaxCoO2] при термической обработке в воздушной среде. Проведены измерения электрических параметров полученных образцов. Рассмотрен вопрос о влиянии состава пленок Ca-Co-O на его физические свойства.