Peculiarities of «liquid - solid» phase equilibria in Six-Ge1-x nanoparticles for various mutual arrangements of phases

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The application of 3D nanocrystalline materials obtained using the liquid-phase and solid-phase powder metallurgy technologies is one of the basic approaches to designing high-efficiency and low-cost thermoelectric energy converters. Nanostructured alloys of the Six - Ge 1- x system represent one of the most efficient high-temperature thermoelectric materials. Features of the equilibrium phase composition of Six - Ge 1- x nanoparticles with a core-shell structure and various fractions of Si have been simulated using the thermodynamic approach in the interval between the liquidus and solidus temperatures. It has been demonstrated that the temperature dependences of the equilibrium phase composition of co-existing liquid and solid phases in the heterogeneous region significantly depend on the mutual arrangement of these phases in the core-shell structure. The results are accompanied by analysis of the initial composition effect which consists in the fact that not only the volume fractions of co-existing phases but also their composition depend on the Si fraction of the parent particle. The «hysteresis effect» has been shown. A thermodynamic interpretation of the obtained results has also been given based on three mechanisms of reducing the free energy of the system.

About the authors

Alexander V. Shishulin

Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration; Pleiades Publ. Ltd

Email: chichouline_alex@live.ru
Ph. D., Senior Lecturer, Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration; Technical Editor, Pleiades Publ. Ltd.

Anna V. Shishulina

R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

Ph. D., Associate Professor

Alexey V. Kuptsov

R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

1st year graduate student

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

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».