Investigation of Thermal Expansion of Nanostructured Materials Based on PbTe and GeTe

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Дилатометрическим методом проведены исследования теплового расширения наноструктурированных термоэлектрических материалов (ТЭМ), полученных искровым плазменным спеканием нанодисперсного порошка из синтезированныхPbTe(0.3 мас.%PbI2и 0.3 мас.%Ni)n-типа и GeTe(7.2 мас.%Bi)p-типа. Плотность полученных ТЭМ составила97–98% от плотности синтезированных материалов. Установлено, что термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР)PbTeс ростом температуры увеличивается с 20.14 × 10–6К–1при 550 К до 23.07 × 10–6К–1при 900 К. ТКЛРGeTeс ростом температуры падает от 13.94 × 10–6К–1при 550 К до 11.93 × 10–6К–1при 675 К, затем растет до 24.47 × 10–6К–1при 900 К. Проведено сравнение ТКЛР наноструктурированных материалов и материалов, полученных традиционными методами. При температурах от 300 до 750 К значения ТКЛРPbTe и GeTe различаются на 15–40%, что может приводить к разрушению термоэлементов.

About the authors

Y. I. Shtern

National Research University “Moscow Institute of Electronic Engineering”

Email: m.s.rogachev88@gmail.com
Shokina Square, 1, Zelenograd, Moscow, 124498 Russia

M. S. Rogachev

National Research University “Moscow Institute of Electronic Engineering”

Email: m.s.rogachev88@gmail.com
Shokina Square, 1, Zelenograd, Moscow, 124498 Russia

M. Y. Shtern

National Research University “Moscow Institute of Electronic Engineering”

Email: m.s.rogachev88@gmail.com
Shokina Square, 1, Zelenograd, Moscow, 124498 Russia

A. A. Sherchenkov

National Research University “Moscow Institute of Electronic Engineering”

Email: m.s.rogachev88@gmail.com
Shokina Square, 1, Zelenograd, Moscow, 124498 Russia

N. Y. Tabachkova

National University of Science and Technology “MISIS”

Author for correspondence.
Email: m.s.rogachev88@gmail.com
Leninsky Ave., 4, bld. 1, Moscow, 119049 Russia

References

  1. Shi X.L., Zou J., Chen Z.G.Advanced thermoelectric design: from materials and structures to devices // Chem. Rev. 2020. V. 120. № 15. P. 7399–7515. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00026
  2. Sauerschnig P., Jood P., Ohta M.Improved high-temperature material stability and mechanical properties while maintaining a high figure of merit in nanostructured p-type PbTe-based thermoelectric elements // Adv. Mater. Technol. 2023. V. 8. № 5. P. 2201295. https://doi.org/10.1002/admt.202201295
  3. Zhai J., Wang T., Wang H., Su W., Wang X., Chen T., Wang C.Strategies for optimizing the thermoelectricity of PbTe alloys // Chin. Phys.B. 2018.V. 27. № 4. P. 047306. https://doi.org/10.1088/1674-1056/27/4/047306
  4. Штерн М.Ю. Наноструктурированные термоэлектрические материалы для температур 200–1200 К, полученные искровым плазменным спеканием // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 6. С.695–706.
  5. Штерн М.Ю., Шерченков А.А., Штерн Ю.И., Рогачев М.С., Бабич А.В.Термоэлектрические свойства и термическая стабильность наноструктурированных термоэлектрических материалов на основе PbTe, GeTe и SiGe // Российские нанотехнологии.2021.Т. 16. № 3.С.399–408. https://doi.org/10.1134/S1992722321030171
  6. Shtern M., Sherchenkov A., Shtern Y., Borgardt N., Rogachev M., Yakubov A., Babich A., Pepelyaev D., Voloshchuk I., Zaytseva Y., Pereverzeva S., Gerasimenko A., Potapov D., Murashko D.Mechanical properties and thermal stability of nanostructured thermoelectric materials on the basis of PbTe and GeTe // J. Alloys Compd. 2023. V. 946. P. 169364-1–169364-16. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169364
  7. Zheng Y., Tan X.Y., Wan X., Cheng X., Liu Z., Yan Q.Thermal stability and mechanical response of Bi2Te3-based materials for thermoelectric applications // ACS Appl. Energy Mater. 2019. V. 3. № 3.P. 2078–2089. https://doi.org/10.1021/acsaem.9b02093
  8. Male J.P., Hanus R., Snyder G.J., Hermann R.P.Thermal evolution of internal strain in doped PbTe // Chem. Mater. 2021. V. 33. № 12. P. 4765–4772. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c01335
  9. Wang X.K., Veremchuk I., Bobnar M., Zhao J.T., Grin Y.Solid solution Pb1−xEuxTe: constitution and thermoelectric behavior // Inorg. Chem. Front. 2016. V. 3. № 9. P. 1152−1159. https://doi.org/10.1039/c6qi00161k
  10. Yoneda S., Kato M., Ohsugi I.J.Anomalous thermal expansion of Pb–Te system semiconductors // J. Appl. Phys. 2010. V. 107. P. 074901-1–074901-6. https://doi.org/10.1063/1.3361282
  11. Hong M., Zou J., Chen Z.G.Thermoelectric GeTe with diverse degrees of freedom having secured superhigh performance // Adv. Mater. 2019. V. 31. № 14. P. 1807071. https://doi.org/10.1002/adma.201807071
  12. Zhang C., Yan G., Wang Y., Wu X., Hu L., Liu F., Ao W., Cojocaru-Mirédin O., Wuttig M., Snyder G.J., Yu Y.Grain boundary complexions enable a simultaneous optimization of electron and phonon transport leading to high-performance GeTe thermoelectric devices // Adv. Energy Mater. 2023. V. 13. № 3. P. 2203361. https://doi.org/10.1002/aenm.202203361
  13. Wiedemeier H., Siemers P.A.The thermal expansion of GeS and GeTe // Z. Anorg. Allg. Chem. 1977. V. 431. № 1. P.299–304. https://doi.org/10.1002/zaac.19774310134
  14. Bai G., Yu Y., Wu X., Li J., Xie Y., Hu L., Liu F., Wuttig M., Cojocaru-Mirédin O., Zhang C.Boron strengthened GeTe-based alloys for robust thermoelectric devices with high output power density // Adv. Energy Mater. 2021. V. 11. № 37. P. 2102012. https://doi.org/10.1002/aenm.202102012
  15. Minikayev R., Safari F., Katrusiak A., Szuszkiewicz W., Szczerbakow A., Bell A., Elizabieta D., Paszkowicz W.Thermostructural and elastic properties of PbTe and Pb0.884Cd0.116Te: a combined low-temperature and high-pressure X-ray diffraction study of Cd-substitution effects // Crystals. 2021. V. 11. № 9. P. 1063. https://doi.org/10.3390/cryst11091063
  16. Xing T., Song Q., Qiu P., Zhang Q., Xia X., Liao J., Liu R., Huang H., Yang J., Bai S., Ren D., Shi X., Chen L.Superior performance and high service stability for GeTe-based thermoelectric compounds // Natl. Sci. Rev. 2019. V. 6. № 5. P.944–954. https://doi.org/10.1093/nsr/nwz052
  17. Wang L., Li J., Xie Y., Hu L., Liu F., Ao W., Luo J., Zhang C.Tailoring the chemical bonding of GeTe-based alloys by MgB2alloying to simultaneously enhance their mechanical and thermoelectric performance // Mater. Today Phys. 2021. V. 16. P. 100308. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2020.100308
  18. Li J., Zhao S., Chen J., Han C., Hu L., Liu F., Ao W., Li A., Xie H., Zhang C.Al–Si alloy as a diffusion barrier for GeTe-based thermoelectric legs with high interfacial reliability and mechanical strength // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020.V. 12. № 16.P. 18562–18569. https://doi.org/10.1021/acsami.0c02028
  19. Орешко Е.И., Уткин Д.А., Ерасов В.С., Ляхов А.А.Методы исследования микротвердости материалов (обзор) // Тр. ВИАМ. 2020.Т. 85. № 1.С. 101–117. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2020-0-1-101-117
  20. Shtern M.Yu., Matyna L.I., Rogachev M.S., Merlyan A.P.Investigation of the composition and mechanical strength of effective thermoelectric materials // IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (Jan.26–29). Moscow and St. Petersburg. 2021. P. 2481–2484. https://doi.org/10.1109/ElConRus51938.2021.9396337
  21. Hayashi T., Sekine M., Suzuki J., Horio Y., Takizawa H.Thermoelectric and mechanical properties of angular extruded Bi0.4Sb1.6Te3compounds // Mater. Trans. 2007. V. 48. № 10. P. 2724–2728. https://doi.org/10.2320/matertrans.MRA2007114
  22. Shtern Y.I., Rogachev M.S., Bublik V.T., Tarasova I.V., Pozdniakov A.V.The results of thermal expansion investigation for effective thermoelectric materials // Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (Jan.28–31). Moscow. 2019. P. 1932–1936. https://doi.org/10.1109/EIConRus.2019.8656804

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».