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

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).