Разработка новых материалов, включая наноматериалы, для их использования в термоэлектрических преобразователях

Важными характеристиками при поиске новых термоэлектрических материалов, помимо добротности, являются такие параметры как дешевизна, отсутствие токсичных элементов, высокая химическая и температурная стабильность. Перспективы применения термоэлектрических материалов зависят от успеха новых подходов к оптимизации их свойств. Основной инструмент оптимизации на сегодня – создание пространственно-неоднородных материалов с неоднородностями, размеры которых сравнимы с характерными длинами волн электронов или фононов, т. е. лежат в нанометровой области. В проекте предполагается исследование свойств наноструктурированных материалов нескольких классов. В первую очередь будут продолжены исследования силицидов, так как они удовлетворяют всем вышеперечисленным свойствам. Кремний - четвертый элемент среди наиболее широко распространенных элементов земной коры. Кремний и основные компоненты лучших термоэлектриков на основе силицидов широко распространены и не токсичны. Более того, они представляют различные механизмы электронного транспорта, поэтому на их основе можно создавать новые уникальные функциональные материалы. Наиболее интересными в этой связи являются высшие силицида марганца (ВСМ) MnSi1.7, железа ß-FeSi2 и магния MgSi2. Поэтому проект нацелен, в том числе, на исследования структурных, оптических и термоэлектрических свойств и процессов формирования тонких композитных плёнок на основе полупроводниковых силицидов β-FeSi2, MnSi~1.75 и Mg2Si. Полупроводниковые силициды в композитной системе являются основной фракцией, кроме того система может содержать нестехиометрический оксид кремния, разделяющий кристаллиты полупроводниковых фаз, а также некоторые доли металлических фаз силицидов и чистых металлов. Указанные композитные системы являются практически неисследованными, что связано с трудностями изучения структурных свойств таких систем в связи с низкой симметрией полупроводниковых силицидов железа и марганца, малыми размерами получаемых кристаллитов, а также замещением атомов марганца, железа и магния друг другом в кристаллических структурах силицидов.Вторым направлением проекта будет являться продолжение теоретических и экспериментальных исследований кислород-дефицитных сложных оксидов кобальта с перовскитоподобной структурой Re0.2Sr0.8CoO(3-δ) (Re = Gd, Dy) с целью улучшения их термоэлектрических параметров. Данные соединения могут формироваться в виде упорядоченных или разупорядоченных структур и характеризуются различными термоэлектрическими свойствами в разных температурных диапазонах. При этом все они обладают достаточно низкой теплопроводностью (до 0.8 W/K/m при 300 К). Целью работы в данном направлении будет являться улучшение электропроводности образцов за счёт электронного или дырочного допирования путём частичного замещения ионов кобальта двух- или четырёх-валентными ионами других переходных металлов и поиск соединений с оптимальными характеристиками для применения в качестве термоэлектрических материалов.Третьим направлением проекта планируется исследование термоэлектрических свойств титаната стронция SrTiO3 (согласно литературным данным в лабораторных условиях были полученны значения ZT от 0,2 до 2.4) в зависимости от размера зёрен. Как известно, неоднородности нанометровых масштабов могут значительно уменьшать решёточную теплопроводность, приводя к улучшению термоэлектрических параметров. В связи с этим, используя различные технологические режимы, будут получены образцы с различным размером зерен, вплоть до наноразмерных, и проведено исследование их свойств. Ожидается, что за счёт рассеяния фононов на границах зёрен термоэлектрические параметры будут стабилизированы и улучшены.