Оптимизация термоэлектрических свойств и повышение термоэлектрической добротности соединений на основе теллурида висмута с электронным типом проводимости с помощью метода легирования лантаноидами

Прогресс современной науки и техники тесно связан с поиском новых источников энергии, в первую очередь электрической энергии как наиболее универсальной для практического использования.Эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую энергию (и наоборот) определяется термоэлектрической добротностью материала, ZT. В свою очередь, термоэлектрическая добротность материала зависит от удельного электрического сопротивления, коэффициента Зеебека и полной теплопроводности материала, включающей решеточный (фононный) вклад и вклад свободных носителей заряда. Для достижения высоких значений ZT, эффективный термоэлектрический материал должен одновременно обладать низкой теплопроводностью и удельным электрическим сопротивлением и высоким значение коэффициента Зеебека. Основная проблема создания высокоэффективного термоэлектрического материала обусловлена сильной корреляцией термоэлектрических свойств. «Развязка» термоэлектрические свойства в термоэлектрическом материале возможна за счет тщательной «настройки» электронной структуры.В настоящее время теллурид висмута и сплавы на основе теллурида висмута являются наилучшими материалами для термоэлектрических применений при температурах около комнатной температуры. К сожалению, термоэлектрическая добротность этих материалов остается слишком низкой (ZT ≈ 1). Существует несколько перспективных подходов к увеличению ZT, основанных на создании специфической дефектной структуры с образованием примесных резонансных уровней и создающей физические предпосылки для проявления различных спиновых эффектов. Данные подходы могут быть реализованы за счет легирования термоэлектрических материалов примесями, содержащими неспаренные 4-f электроны. Легирующие элементы (Sm, Eu) имеют большое количество неспаренных электронов на 4-f электронном уровне, что в случае получения образцов на основе теллурида висмута позволит создать условия для реализации эффектов, связанных с образованием резонансных примесных уровней. Также данные элементы обладают переменной степенью окисления и как следствие переменными магнитными свойствами (j(Eu3+)=0 μB, j(Eu2+)=7/2 μB), что потенциально способствует увеличению коэффициента Зеебека за счет реализации различных спиновых эффектов.Цель проекта - на основе идентифицированных физических механизмов влияния легирования лантаноидами (Sm, Eu) на электрические и тепловые свойства твердых тел, оптимизировать термоэлектрические свойства (удельное электрическое сопротивление, коэффициент Зеебека, полная теплопроводность) и, таким образом, повысить термоэлектрическую добротность соединений на основе теллурида висмута электронного типа проводимости.В отличие от аналогичных исследований, в настоящем проекте для оптимизации термоэлектрических свойств разрабатываемых материалов на основе теллурида висмута в качестве легирующих элементов будут использованы лантаноиды, переменной степенью окисления (Sn и Eu). Влияние легирования данными элементами на термоэлектрические свойства в литературе до настоящего времени не рассматривалось, что определяет научную новизну и оригинальность данного исследования