Разработка научных и технологических основ создания эффективных термоэлектрических нанокомпозитов

Проект направлен на решение фундаментальной и прикладной научной проблемы, связанной с кардинальным повышением эффективности прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. В условиях глобального роста энергопотребления и необходимости утилизации колоссальных объемов бросового (низкопотенциального) тепла, термоэлектрические технологии представляют собой экологически чистое и надежное решение. Однако их широкое внедрение сдерживается недостаточной эффективностью существующих материалов, которая определяется термоэлектрической добротностью ZT = (S2σ/κ)T. Основная сложность заключается в сильной взаимосвязи и неблагоприятной зависимости физических параметров: коэффициента Зеебека (S), электропроводности (σ) и теплопроводности (k), что делает их одновременную оптимизацию крайне трудной задачей. Ключевой стратегией проекта является разработка и исследование нового поколения объемных термоэлектрических нанокомпозитов, основанных на концепции «фононное стекло – электронный кристалл». Этот подход предполагает создание гетерогенных структур, состоящих из термоэлектрической матрицы (охватывающей широкий спектр низко-, средне- и высокотемпературных материалов) и целенаправленно введенных наноразмерных включений произвольной природы (полупроводниковых, диэлектрических, металлических) и размерности (0D, 1D, 2D). Создание высокой плотности межфазных границ «матрица-включение» позволяет реализовать синергический эффект и «развязать» взаимозависимые транспортные свойства. Основные физические механизмы, лежащие в основе данного подхода, включают: 1) интенсивное рассеяние фононов на наноразмерных гетерогенностях, что приводит к значительному подавлению решеточной теплопроводности (kp); 2) фильтрацию носителей заряда по энергии на потенциальных барьерах, возникающих на границах раздела, что способствует увеличению коэффициента Зеебека; 3) управление переносом носителей заряда и модуляцию зонной структуры на границах раздела для сохранения или повышения электропроводности. В рамках проекта будет реализован комплексный междисциплинарный подход, объединяющий достижения материаловедения, химии и физики конденсированного состояния. Планируется разработка и оптимизация передовых технологических методов, таких как сольвотермальный синтез для получения наночастиц с контролируемой морфологией и искровое плазменное спекание для консолидации порошковых смесей в плотные объемные материалы с сохранением наноструктуры и созданием анизотропной текстуры. Будут проведены систематические исследования взаимосвязей в цепочке «параметры синтеза → состав и структура композита → термоэлектрические свойства». Комплексный анализ будет включать структурную аттестацию методами электронной микроскопии и рентгеновской дифракции, а также детальное изучение температурных зависимостей всех ключевых транспортных характеристик. Научная новизна проекта заключается в установлении фундаментальных закономерностей влияния типа, размерности, концентрации и распределения нановключений на транспортные свойства широкого класса термоэлектрических материалов. Полученные результаты внесут значительный вклад в развитие теоретических представлений о переносе тепла и заряда в гетероструктурированных средах и создадут научно-технологическую платформу для целенаправленного дизайна высокоэффективных термоэлектриков с ZT > 1. Важным практическим аспектом является то, что разрабатываемые объемные нанокомпозиты по своим габаритам и форме будут совместимы с существующими технологиями производства термоэлектрических модулей, что существенно упростит их интеграцию в промышленные системы утилизации тепла, автономные источники питания и твердотельные холодильные устройства.