ISSLEDOVANIE TERMIChESKOGO RASShIRENIYa NANOSTRUKTURIROVANNYKh TERMOELEKTRIChESKIKh MATERIALOV NA OSNOVE (Bi,Sb)2Te3

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Исследованы температурные зависимости коэффициентов термического линейного расширения наноструктурированных низкотемпературных термоэлектрических материалов на основе Bi2Te2.8Se0.2 и Bi0.5Sb1.5Te3 и среднетемпературных термоэлектрических материалов на основе Bi2Te2.4Se0.6 и Bi0.4Sb1.6Te3. Наноструктурированные термоэлектрические материалы получали методом искрового плазменного спекания нанодисперсных порошков предварительно синтезированных материалов. Нанодисперсные порошки подготовлены с помощью планетарной шаровой мельницы. Измерена плотность и микротвердость наноструктурированных термоэлектрических материалов. Коэффициент термического линейного расширения измерялся в интервале температур 200–600 К дилатометрическим методом в параллельном и перпендикулярном направлениях к оси прессования образцов термоэлектрических материалов. Коэффициент анизотропии термического линейного расширения составил 1.18. Коэффициенты термического линейного расширения в интервале исследованных температур составили для Bi2Te2.8Se0.2 от 16.9 × 10−6 до 17.3 × 10−6 K−1, для Bi0.5Sb1.5Te3 — от 15.3 × 10−6 до 16.4 × 10−6 K−1, для Bi2Te2.4Se0.6 и Bi0.4Sb1.6Te3 — (14.3 ± 0.3) × 10−6 K−1. Коэффициенты термического линейного расширения для материалов n- и p-типа имеют близкие значения.

References

  1. Wu Z., Zhang S., Liu Z., Mu E., Hu Z. Thermoelectric Converter: Strategies from Materials to Device Application // Nano Energy. 2022. V. 91. P. 106692.
  2. Freer R., Powell A.V. Realizing the Potential of Thermoelectric Technology: A Roadmap // J. Mater. Chem. C. 2020. V. 8. № 2. P. 441.
  3. He J., Li K., Jia L., Zhu Y., Zhang H., Linghu J. Advances in the Applications of Thermoelectric Generators // Appl. Therm. Eng. 2024. V. 236. P. 121813.
  4. Jaziri N., Boughamoura A., Müller J., Mezghani B., Tounsi F., Ismail M. A Comprehensive Review of Thermoelectric Generators: Technologies and Common Applications // Energy Reports. 2020. V. 6. P. 264.
  5. Tabachkova N., Shtern M., Sherchenkov A., Shtern Y., Rogachev M., Panchenko V., Babich A., Voronov M., Tapero M., Korchagin E. Physical and Chemical Properties of Low-temperature Nanostructured Thermoelectric Materials on the Basis of Bi2Te2.8Se0.2 and Bi0.5Sb1.5Te3 // Solid State Sci. 2024. V. 154. P. 107609.
  6. Япрынцев М.Н., Иванов О.Н., Васильев А.Е., Жежу М.В., Попков Д.А. Синтез, структура и анизотропия термоэлектрических свойств соединения Bi2Te2.7Se0.3, легированного самарием // ФТП. 2021. Т. 55. № 12. С. 1156.
  7. Степанов Н.П., Иванов М.С., Степанова Л.Э., Виноградова Л.В. Закономерности поведения температурных зависимостей удельного сопротивления кристаллов твердых растворов (Bi2-xSbx)Te3 (0 < x < 2) // ФТП. 2022. Т. 56. № 9. С. 897.
  8. Goldsmid H.J. Introduction to Thermoelectricity. Berlin–Heidelberg: Springer, 2016. 291 p.
  9. Shtern M.Yu. Nanostructured Thermoelectric Materials for Temperatures of 200–1200 K Obtained by Spark Plasma Sintering // Semiconductors. 2022. V. 56. № 13. P. 437.
  10. Chen J., Fang Z., Azam A., Wu X., Zhang Z., Lu L., Li D. An Energy Self-circulation System Based on the Wearable Thermoelectric Harvester for ART Driver Monitoring // Energy. 2023. V. 262. P. 125472.
  11. Li X., Yang B., Xie H., Zhong H., Feng S., Zhang Y., Ma Y., Zhang J., Su H. Influence of n-Type Doping Sites on Electronic Transport Properties of Mg3Sb1.5Bi0.5 Alloys // Mater. Sci. Eng.: B. 2023. V. 293. P. 116463.
  12. Huang L., Zheng Y., Xing L., Hou B. Recent Progress of Thermoelectric Applications for Cooling/Heating, Power Generation, Heat Flux Sensor, and Potential Prospect of Their Integrated Applications // Therm. Sci. Eng. Prog. 2023. V. 45. P. 102064.
  13. Shittu S., Li G., Zhao X., Ma X. Review of Thermoelectric Geometry and Structure Optimization for Performance Enhancement // Appl. Energy. 2020. V. 268. P. 115075.
  14. Wu B., Wei W., Guo Y., Hou Yip W., Kang Tay B., Hou C., Zhang Q., Li Y., Wang H. Stretchable Thermoelectric Generators with Enhanced Output by Infrared Reflection for Wearable Application // Chem. Eng. J. 2023. V. 453. P. 139749.
  15. Haras M., Skotnicki T. Thermoelectricity for IoT – A Review // Nano Energy. 2018. V. 54. P. 461.
  16. Hasan Md.N., Nafea M., Nayan N., Mohamed Ali M.S. Thermoelectric Generator: Materials and Applications in Wearable Health Monitoring Sensors and Internet of Things Devices // Adv. Mater. Technol. 2022. V. 7. № 5. P. 2101203.
  17. 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.
  18. 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.
  19. Сорокин А.И., Иванцов М.С., Табачкова Н.Ю., Бублик В.Т., Скипидаров С.Я., Дашевский З.М. Разработка тех-нологии высокопрочных термоэлектриков диаметром до 35 мм на основе поликристаллов Bi2Te3 методом горячей экструзии // ФТП. 2022. Т. 56. № 1. С. 17.
  20. Barako M.T., Park W., Marconnet A.M., Asheghi M., Goodson K.E. Thermal Cycling, Mechanical Degradation, and the Effective Figure of Merit of a Thermoelectric Module // J. Electron. Mater. 2013. V. 42. № 3. P. 372.
  21. Pei J., Shi J., Li H., Jiang Y., Dong J., Zhuang H., Cai B., Su B., Yu J., Zhou W., Zhang B., Li J. Design and Fabrication of Segmented GeTe/(Bi,Sb)2Te3 Thermoelectric Module with Enhanced Conversion Efficiency // Adv. Funct. Mater. 2023. V. 33. № 20. P. 2214771.
  22. Wan S., Song Q., Chen H., Zhang Q., Liao J., Xia X., Wang C., Qiu P., Chen B., Bai S., Chen L. High-efficiency Segmented Thermoelectric Power Generation Modules Constructed from All Skutterudites // Cell Rep. Phys. Sci. 2023. V. 4. № 11. P. 101651.
  23. Yu J., Kong L., Zhu Q., Zhu H., Wang H., Guan J., Yan Q. Thermal Stress Analysis of a Segmented Thermoelectric Generator under a Pulsed Heat Source // J. Electron. Mater. 2020. V. 49. № 7. P. 4392.
  24. 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. 2020. V. 3. № 3. P. 2078.
  25. Zhou Y., Meng F., He J., Benton A., Hu L., Liu F., Li J., Zhang C., Ao W., Xie H. n-Bi2–xSbxTe3: A Promising Alterna-tive to Mainstream Thermoelectric Material n-Bi2Te3–xSex near Room Temperature // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. № 28. P. 31619.
  26. Zhu Y.-K., Wu P., Guo J., Zhou Y., Chong X., Ge Z.H., Feng J. Achieving a Fine Balance in Mechanical Properties and Thermoelectric Performance in Commercial Bi2Te3 Materials // Ceram. Int. 2020. V. 46. № 10. P. 14994.
  27. Павлова Л.М., Штерн Ю.И., Миронов Р.Е. Термическое расширение теллурида висмута // ТВТ. 2011. Т. 49. № 3. С. 379.
  28. Терехов С.В. Расчет теплоемкостей и коэффициентов теплового линейного расширения металлов легкой и тяжелой триад платины // ТВТ. 2023. Т. 61. № 5. С. 679.
  29. Liu G., Zhao W.-Y., Zhou H.-Y., Wei P., Yu J., Tang D.-G., Zhang Q.-J. Design and Optimization of Gradient Interface of Ba0.4In0.4Co4Sb12/Bi2Te2.7Se0.3 Thermoelectric Materials // J. Electron. Mater. 2012. V. 41. № 6. P. 1376.
  30. Zhou H.-Y., Zhao W.-Y., Liu G., Cheng H., Zhang Q.-J. Design and Optimization of Gradient Interface of p-Type Ba0.3In0.3FeCo3Sb12/Bi0.48Sb1.52Te3 Thermoelectric Materials // J. Electron. Mater. 2013. V. 42. № 7. P. 1436.
  31. Stern Yu., Pavlova L., Mironov R. Thermal Expansion of n-Type Doped Bi2Te2.88Se0.12 and p-Type Doped Bi0.52Sb1.48Te3 Solid Solutions from 60C to +60C // J. Electron. Mater. 2010. V. 39. № 9. P. 1422.
  32. Seo S., Jeong Y., Oh M.-W., Yoo B. Effect of Hydrogen Annealing of Ball-milled Bi0.5Sb1.5Te3 Powders on Thermoelectric Properties // J. Alloys Compd. 2017. V. 706. P. 576.
  33. Pan Y., Wei T.-R., Cao Q., Li J.-F. Mechanically Enhanced p- and n-Type Bi2Te3-based Thermoelectric Materials Reprocessed from Commercial Ingots by Ball Milling and Spark Plasma Sintering // Mater. Sci. Eng.: B. 2015. V. 197. P. 75.
  34. Abdelnabi A.A., Lakhian V., McDermid J.R., Tseng Y.- C., Cotton J.S. Enhancement of Mechanical Properties and Thermoelectric Performance of Spark Plasma Sintered p-Type Bismuth Telluride by Powder Surface Oxide Re-duction // J. Alloys Compd. 2021. V. 858. P. 157657.
  35. Abdelnabi A.A., Lakhian V., McDermid J.R., Cotton J.S. The Effect of Powder Pre-treatment on the Mechanical and Thermoelectric Properties of Spark Plasma Sintered n-Type Bismuth Telluride // J. Alloys Compd. 2021. V. 874. P. 159782.
  36. Shtern M., Rogachev M., Shtern Y., Sherchenkov A., Babich A., Korchagin E., Nikulin D. Thermoelectric Properties of Efficient Thermoelectric Materials on the Basis of Bismuth and Antimony Chalcogenides for Multisection Thermoelements // J. Alloys Compd. 2021. V. 877. P. 160328.
  37. 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 // Proc. 2019 IEEE Conf. Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering. St. Petersburg, Moscow: IEEE, 2019. P. 1932.

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».