Особенности фазовых равновесий «жидкость - твердое тело» в наночастицах системы Six-Ge1-x при различном взаимном расположении фаз

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Использование объемных нанокристаллических материалов, полученных с использованием твердо- и жидкофазных технологий порошковой металлургии, является одним их основных подходов к созданию высокоэффективных и коммерчески доступных термоэлектрических преобразователей энергии. Одним из наиболее эффективных термоэлектрических материалов в области высоких температур являются наноструктурованные сплавы системы Six - Ge 1-x . В рамках термодинамического подхода смоделированы особенности равновесного фазового состава наночастиц Six - Ge 1-x с различной долей Si со структурой core-shell между температурами ликвидуса и солидуса. Показано, что температурные зависимости равновесного состава сосуществующих твердой и жидкой фаз в области гетерогенности существенно зависят от взаимного расположения этих фаз в core-shell-структуре. Результаты дополнены рассмотрением эффекта исходного состава, состоящего в зависимости не только объемной доли сосуществующих фаз, но и их состава, от доли Si в исходной частице. Продемонстрирован «гистерезисный эффект». Представлена термодинамическая интерпретация полученных результатов на основе трех механизмов понижения свободной энергии системы.

Об авторах

Александр Владимирович Шишулин

Российская Академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации; Pleiades Publ. Ltd

Email: chichouline_alex@live.ru
к.х.н., старший преподаватель, ФГБОУ ВО «Российская Академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации»; технический редактор, Pleiades Publ. Ltd.

Анна Владимировна Шишулина

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

к.х.н., доцент

Алексей Владимирович Купцов

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

студент магистратуры 1 года обучения

Список литературы

  1. Thermoelectric handbook: macro to nano / Ed. by D.M. Rowe. - Boca Raton: CRC Press, 2006. - 1014 p. doi: 10.1201/9781420038903.
  2. d'Angelo, M. Thermoelectric materials and applications: a review / M. d'Angelo, C. Galassi, N. Lecis // Energies. - 2023. - V. 16. - I. 17. - Art. no. 6409. - 50 p. doi: 10.3390/en16176409.
  3. Shishulin, A.V. Fractal nanoparticles of phase-separating solid solutions: nanoscale effects on phase equilibria, thermal conductivity, thermoelectric performance / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Springer Proceedings in Complexity; ed. by C.H. Skiadas, Y. Dimotikalis. - Cham: Springer, 2022. - P. 421-432. doi: 10.1007/978-3-030-96964-6_30.
  4. Shishulin, A.V. Several notes on the lattice thermal conductivity of fractal-shaped nanoparticles // A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. -2022. -V. 19. - I. 3(41). -P. 10-17. doi: 10.31489/2022No3/10-17.
  5. Basu, R. High temperature Si-Ge alloy towards thermoelectric applications: a comprehensive review / R. Basu, A. Singh // Materials Today Proceedings. - 2021. - V. 21. - Art. no. 100468. - 26 p. doi: 10.1016/j.mtphys.2021.100468.
  6. Дорохин, М.В. Легирование термоэлектрических материалов на основе твердых растворов SiGe в процессе их синтеза методом электроимпульсного плазменного спекания / М.В. Дорохин, П.Б. Демина, И.В. Ерофеева и др. // Физика и техника полупроводников. -2019. -Т. 53. - Вып. 9. - С. 1182-1188. doi: 10.21883/FTP.2019.09.48121.04.
  7. Дорохин, М.В. Формирование мелкодисперсного термоэлектрика Si1-xGex при электроимпульсном плазменном спекании / М.В. Дорохин, М.С. Болдин, Е.А. Ускова и др. // Журнал технической физики. - 2021. - Т. 91. - Вып. 12. - С. 1975-1983. doi: 10.21883/JTF.2021.12.51763.152-21.
  8. Körner, C. Mesoscopic simulation of selective beam melting processes / C. Körner, E. Attar, P. Heinl // Journal of Materials Processing Technology. - 2011. -V. 211. - I. 6. - P. 987-987. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2010.12.016.
  9. Wu, Y. Modeling the selective laser melting-based additive manufacturing of thermoelectric powders / Y. Wu, K. Sun, S. Yu, L. Zuo // Additive Manufacturing. -2021. -V. 37. - Art. no. 101666. - 37 p. doi: 10.1016/j.addma.2020.101666.
  10. Olesinski, R.W. The Ge-Si(germanium-silicon) system / R.W. Olesinski, J. Abbaschian // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. - 1984. - V. 5. - I. 2. - P. 180-183. doi: 10.1007/BF02868957.
  11. Шишулин, А.В. О влиянии внешней среды на фазовые равновесия в системе малого объема на примере распада твердого раствора Bi-Sb / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев, А.В. Шишулина // Бутлеровcкие сообщения. - 2017. - Т. 51. - Вып. 7. - С. 31-37.
  12. Шишулин, А.В. Влияние исходного состава на переход жидкость-твердое тело в наночастицах сплава Cr-W / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев // Неорганические материалы. - 2019. - Т. 55. - №1. - С. 16-20. doi: 10.1134/S0002337X19010135.
  13. Шишулин, А.В. Термодинамические закономерности влияния на фазовые равновесия состава и морфологии границ раздела малых объемов бинарных органических расслаивающихся систем: дисс. … канд. хим. наук: 1.4.4: защищена 18.05.2023; утв. 14.11.2023 / Шишулин Александр Владимирович. - Нижний Новгород: Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 2023. - 126 с.
  14. Сдобняков, Н.Ю. Изучение термодинамических и структурных характеристик наночастиц металлов в процессе плавления и кристаллизации: теория и компьютерное моделирование / Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов. Тверь: Тверской государственный университет, 2018. - 176 с.
  15. Вересов, С.А. К вопросу изучения процессов структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах / С.А. Вересов, К.Г. Савина, А.Д. Веселов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. - 2022. - Вып. 14. - С. 371-382. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.371.
  16. Магомедов, М.Н. Изменение термодинамических свойств твердого раствора Si-Ge при уменьшении размера нанокристалла / М.Н. Магомедов // Физика твердого тела. - 2019. - Т. 61. - Вып. 11. - С. 2169-2177. doi: 10.21883/FTT.2019.11.48424.484.
  17. Самсонов, В.М. Флуктуационный подход к проблеме применимости термодинамики к наночастицам / В.М. Самсонов, Д.Э. Деменков, В.И. Карачаров, А.Г. Бембель // Известия РАН. Серия физическая. - 2011. - Т. 75. - Вып. 8. - С. 1133-1137.
  18. Шишулин, А.В. К вопросу о плавлении наночастиц фрактальной формы (на примере системы Si-Ge) / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев, А.В. Шишулина // Журнал технической физики. - 2019. - Т. 89. - Вып. 9. - С. 1420-1426. doi: 10.21883/JTF.2019.09.48069.88-19.
  19. Шишулин, А.В. Некоторые особенности высокотемпературных фазовых равновесий в наночастицах системы Six-Ge1-x / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. - 2019. - Вып. 11. - С. 268-276. doi: 10.26456/pcascnn/2019.11.268.
  20. Shishulin, A.V. The initial composition as an additional parameter determining the melting behaviour of nanoparticles (a case study on Six-Ge1-x alloys) / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. - 2021. - V. 18. - I. 4(38). - P. 5-13. doi: 10.31489/2021No4/5-13.
  21. Bajaj, S. Phase stability in nanoscale material systems: extension from bulk phase diagrams / S. Bajaj, M.G. Haverty, R. Arróyave et al. // Nanoscale. - 2015. - V. 7. - I. 24. - P. 9868-9877. doi: 10.1039/C5NR01535A.
  22. Bonham, B. Thermal stability and optical properties of Si-Ge nanoparticles / B. Bonham, G. Guisbiers // Nanotechnology. - 2017. - V. 28. - I. 24. - Art no. 245702. - 26 p. doi: 10.1088/1361-6528/aa726b.
  23. Шишулин, А.В. Равновесный фазовый состав и взаимная растворимость компонентов в наночастицах фрактальной формы тяжелого псевдосплава W-Cr / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. - 2019. - Вып. 11. - С. 380-388. doi: 10.26456/pcascnn/2019.11.380.
  24. Сдобняков, Н.Ю. Морфологические характеристики и фрактальный анализ металлических пленок на диэлектрических поверхностях: монография / Н.Ю. Сдобняков, А.С. Антонов, Д.В. Иванов. - Тверь: Тверской государственный университет, 2019. - 168 с.
  25. Анофриев, В.А. К проблеме автоматизации процесса определения фрактальной размерности / В.А. Анофриев, А.В. Низенко, Д.В. Иванов, А.С. Антонов, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. - 2022. - Вып. 14. - С. 264-276. doi: 10.26456/pcascnn/2022.14.264.
  26. Шишулин, А.В. Полимерные растворы в порах деформируемых матриц: фазовые переходы, индуцированные деформацией пористого материала / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев// Журнал технической физики. - 2020. - Т. 90. - Вып. 3. - C. 358-364. doi: 10.21883/JTF.2020.03.48917.292-19.
  27. Shirinyan, A. Two-phase equilibrium states in individual Cu-Ninanoparticles: size, depletion and hysteresis effects / A. Shirinyan // Beilstein Journal of Nanotechnology. - 2015. - V. 6. - P. 1811-1820. doi: 10.3762/bjnano.6.185.
  28. Shirinyan, A. Solidification loops in the phase diagrams of nanoscale alloy particles: from a specific example towards a general vision / A. Shirinyan, G. Wilde, Y. Bilogorodskyy // Journal of Materials Science. - 2018. - V. 53. - I. 4. - P. 2859-2879. doi: 10.1007/s10853-017-1697-y.
  29. Shishulin, A.V. One more parameter determining the stratification of solutions in small-volume droplets / A.V. Shishulin, A.V. Shishulina // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. - 2022. - V. 95. - I. 6. - P. 1374-1382. doi: 10.1007/s10891-022-02606-8.
  30. Шишулин, А.В. Влияние исходного состава на фазовые равновесия при твердофазном расслаивании в наночастицах бинарных сплавов (на примере системы W-Cr) / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. - 2023. - Вып. 15. - С. 299-307. doi: 10.26456/pcascnn/2023.15.299.
  31. Shishulin, A.V. Fractal nanoparticles of phase-separating solid solutions: morphology-dependent phase equilibria in tungsten heavy pseudo-alloys / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. - 2023. - V. 20. - I. 4(46). - P. 125-132. doi: 10.31489/2023no4/125-132.
  32. Shishulin, A.V.On some peculiarities of stratification of liquid solutions within pores of fractal shape / A.V. Shishulin, V.B. Fedoseev // Journal of Molecular Liquids. - 2019. - V. 278. - P. 363-367. doi: 10.1016/j.molliq.2019.01.050.
  33. Федосеев, В.Б. О распределении по размерам дисперсных частиц фрактальной формы / В.Б. Федосеев, А.В. Шишулин// Журнал технической физики. - 2021. - Т. 91. - Вып. 1. - С. 39-45. doi: 10.21883/JTF.2021.01.50270.159-20.
  34. Федосеев, В.Б. Поправка к статье "О распределении по размерам дисперсных частиц фрактальной формы" / В.Б. Федосеев, А.В. Шишулин// Журнал технической физики. - 2022. - Т. 92. - Вып. 4. - С. 643-644. doi: 10.21883/JTF.2022.04.52255.pravka.
  35. Федосеева, Е.Н. Взаимодействие хитозана и бензойной кислоты в растворах и пленках / Е.Н. Федосеева, В.Б. Федосеев // Высокомолекулярные соединения. СерияА. - 2011. - Т. 53. - Вып. 11. - С. 1900-1907.
  36. Li, J. An improved box-counting method for image fractal dimension estimation /j. Li, Q. Du, C. Sun // Pattern Recognition. - 2009. - V. 42. - I. 11. - P. 4260-4269. doi: 10.1016/j.patcog.2009.03.001.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

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».