Гетероструктуры типа «ядро-оболочка» на основе силицида магния и кремния в качестве основы для термоэлектрических преобразователей

Разработка и внедрение экологически чистых альтернативных источников энергии и увеличение эффективности традиционных энергоустановок являются важными задачами для современной науки и техники. Использование термоэлектрических преобразователей (ТЭП) рассматривается как наиболее универсальный инструмент для решения указанных задач. Говоря о применении ТЭП, стоит выделять модули стандартного размера и преобразователи пониженной размерности (микро- и мезоскопические ТЭП). Стандартные модули нашли себе применение в индустриальных установках, использующих горение (печи, котлы, ДВС и т.д.), в составе гибридных фото- и термофотовольтаических ячеек или в качестве охладителей. Сегодня внимание исследователей сосредоточено на миниатюрных модулях за счёт их широкой области применения. Особенность таких преобразователей заключается в том, что термоэлементы имеют микронный масштаб, что позволяет увеличить плотность компоновки до 10^6 шт/см2 и снизить теплопроводность материала. За счёт этих обстоятельств такие преобразователи могут работать при небольших градиентах температур и утилизировать тепло с небольшой площади. Микро-преобразователи могут быть интегрированы с процессорным кристаллом для локального охлаждения микросхем или лазерных диодов. Кроме того, их можно использовать в качестве элементов питания различных микроваттных устройств: носимой электроники, биосенсоров, беспроводных датчиков Интернета Вещей. Однако повсеместное внедрение термоэлементов сдержано высокой ценой исходного сырья, токсичностью отдельных химических элементов и низкой эффективностью модулей. В качестве основы для преобразователей кремний имеет ряд преимуществ: широкая распространённость в земной коре, низкая стоимость, высокий фактор мощности, возможность формирования обеих ветвей термоэлектрического генератора, широкая технологическая освоенность материала, экологическая и биологическая стороны вопроса. Широкое распространение преобразователей на основе кремния ограничено его высокой теплопроводностью. Структурирование кремниевой матрицы для снижения теплопроводности без существенного вреда для электропроводности является нетривиальной задачей. Интересные результаты были получены за счёт наноструктурирования и уменьшения размерности образцов – формирование кремния в виде нанонитей снизило теплопроводность на два порядка величины, что увеличило термоэлектрическую добротность с 0.01 до 0.6 при 350К. Кремний имеет богатый набор полупроводниковых, металлических и полуметаллических силицидов, среди которых стоит выделить Mg2Si, как наиболее перспективный и широко изученный с точки зрения термоэлектричества. О перспективности материала говорит значение термоэлектрической добротности – 1.63, зарегистрированной для Mg2Si0.5Sn0.5 при 615К, что является рекордным значением для силицидов. В рамках проекта предлагается объединить уникальные свойства высокоаспектных кристаллов и термоэлектрические показатели силицида магния за счёт формирования гетероструктур типа «ядро-оболочка», где ядро – нанопроволока/нанолезвие кремния, вокруг которой будет сформирована силицидная оболочка. С помощью фотолитографии высокого разрешения и селективного травления (металл-стимулированное химическое травление) будет сформирован высокоплотный массив таких кристаллов с контролируемыми параметрами (сечением, протяжённостью, фактором заполнения). Основная часть проекта направлена на исследование особенностей формирования и определения термоэлектрических параметров кремний/силицидных гетероструктур. Однако подобные гетероструктуры перспективны и в других направлениях: солнечная энергетика, термофотовольтаика, фотодетектирование. Кроме того, кремний имеет широкий набор силицидов и полученные в рамках проекта знания будут востребованы во многих смежных областях науки и техники.