Новые технологии получения и дизайна структуры материалов для современной энергетики: новые сплавы, керамики и структуры (отчет за 2 этап, 2024 г.)

В качестве первой группы объектов исследования выступают конструкционные сплавы, применяемые в энергетике, общем и специальном машиностроении (алюминиевые и медные сплавы, углеродистые стали), в качестве второй группы – экспериментальные образцы плёночных термоэлектрических материалов, характеризующихся улучшенной относительно объёмных аналогов добротностью, и сформированных с применением методов МОС-гидридной эпитаксии и молекулярно-лучевой эпитаксии. Цель работы - разработка научных основ новых способов модификации (дизайна) структуры материалов (i) для ядерной энергетики и машиностроения (на примере аустенитных сталей); (ii) для альтернативных источников энергии (на примере термоэлектрических полупроводниковых наноструктурированных функциональных материалов). В ходе выполнения этапа 2 по направлению «Новые способы модификации (дизайна) структуры материалов для термоэлектрических источников энергии на базе полупроводниковых наноструктурированных функциональных материалов» произведён расчёт коэффициента Зеебека с учётом создания дополнительных состояний в запрещённой зоне полупроводника с 2D и 3D квантовым ограничением. Показано, что указанные состояния могут быть источником дополнительных носителей заряда, которые активируются вблизи комнатной температуры и вносят вклад в термоэлектрические коэффициенты. Выполнены дополнительные технологические эксперименты по росту квантовых точек, формируемых методами самоорганизации в термоэлектрических структурах и их легированию донорной примесью. Получены экспериментальные температурные зависимости коэффициента Зеебека и электропроводности для различных конфигураций наноструктур с самоорганизованными квантовыми точками. Выполнено сопоставление результатов, полученных в рамках первого этапа проекта. Показано, что на основе массива самоорганизованных квантовых точек InAs/GaAs может быть сформирована пара термоэлектрических элементов p- и n- типов проводимости, работающих при комнатной температуре. Наличие решений для создания двух ветвей термоэлектрических материалов является необходимым условием для построения термоэлектрогенератора. Выполнена оценка практической возможности использования массивов самоорганизованных квантовых точек в полупроводниковой структуре для увеличения коэффициента Зеебека и повышения коэффициента ZT. По направлению «Сплавы и стали для энергетики и машиностроения» разработаны способы формирования ультрамелкозернистой структуры в промышленной аустенитной стали Fe-Cr-Ni, позволяющие обеспечить ее рекордные сверхпластические характеристики при повышенных температурах, а при комнатной температуре - обеспечить совокупность высокой прочности и коррозионной стойкости (при удовлетворительной пластичности). Основным практическим результатом являются режимы получения и результаты исследований новых материалов и структур для перспективных приложений в энергетике и машиностроении. Полученные результаты опубликованы в ведущих научных журналах, а также всесторонне представлены на научных конференциях.