Материал: Перспективные методы создания новых функциональных материалов. тезисы докладов открытого регионального семинара

УДК 538.953

ОКСИДНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИКИ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ

А.Н. Смирнов, студент гр. ПФм-161, С.А. Гриднев

кафедра физики твердого тела ВГТУ

Технический прогресс невозможен без преодоления трудностей и вызовов, с которыми сталкивается человечество. Эффективное использование электрической энергии является актуальной проблемой на ближайшие десятилетия для многих стран. Повышение энергоэффективности возможно лишь при создании и использовании эффективных технологических решений. Задача прямого преобразования тепловой энергии в электрическую является очень актуальной в современных условиях истощения природных источников топлива. Одним из путей решения данной проблемы является создание термоэлектрических генераторов на основе слоистых кобальтитов.

Слоистые кобальтиты – семейство материалов, которые можно описать следующей

формулой [MmA2Om+2]q[CoO2] (M = Co, Bi, Pb, Tl; A = Ca, Sr, Ba; m = 0, 1, 2; q ≥ 0,5). Кри-

сталлическая структура этих слоистых оксидов описывается химической формулой ACoO2, где A = Na, Ca, La или комбинация двух и более элементов.

Наибольшее внимание из всех слоистых кобальтитов привлекает слоистый кобальтит кальция Ca3Co4O9, который является перспективным термоэлектрическим материалом р - типа. Он характеризуется высокими термоэлектрическими показателями, относительно низкой стоимостью и устойчивостью на воздухе при повышенных температурах. Кроме того, в составе Ca3Co4O9 нет токсичных элементов, причиняющих вред окружающей среде.

Вработе [1] были изучены твердые растворы Ca3-xBixCo4-yFeyO9 (x = 0, y = 0; x = 0,3, y

=0; x = 0,3, y = 0,1), где ионы Ca2+ и Co3+ были частично совместно замещены Bi и Fe с последующим искровым плазменным спеканием. Установлено, что замещение висмутом приводит к снижению теплопроводности до 40%. Кроме того, было установлено, что фактор мощности был увеличен на 33% путем совместного легирования Fe и Bi. В данном исследо-

вании показатель ZT достигал 0,4 при 973 К в образце Ca2.7Bi0.3Co3.9Fe0.1O9. Это означает, что совокупное воздействие при совместном легировании может эффективно улучшить

термоэлектрическую эффективность материалов на основе Ca3Co4O9.

В той же работе [1] рассмотрены термоэлектрические свойства соединения Ca3-xYxCo4- yFeyO9 (0 < x < 0.3, 0 < y < 0.1), совместно легированного ионами Y+3 и Fe3+ и полученного путем высокотемпературного синтеза с последующим искровым плазменным спеканием. Для систем, легированных железом (х = 0, y < 0,1), удельное электрическое сопротивление снизилось во всем измеренном диапазоне температур, в то время как коэффициент Зеебека остался почти таким же. Для совместно легированной системы, при различном содержании железа удельное электрическое сопротивление и коэффициент Зеебека повышаются с увеличением концентрации Y. Для всех совместно легированных (х = 0,1 и у = 0,03) образцов, обнаружено увеличение фактора мощности в измеренном диапазоне температур, а также улучшение ZT по сравнению с нелегированным Ca3Co4O9. Таким образом, слоистый кобальтит кальция Ca3Co4O9, легированный Bi, Fe и Y, является перспективным материалом, благодаря своим высоким термоэлектрическим свойствам, которыми он обладает при высоких температурах.

Литература

1. Ning Yu Wu, Ngo Van Nong, Nini Pryds, Soren Linderoth / Effects of Yttrium and Iron co - doping on the high temperature thermoelectric properties of Ca3Co4O9 // Journal of Alloys and Compounds, iss. (No 638). 2015. P. 127 – 132.

14

УДК 537.9

ТЕРМОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ОТКЛИК В ДВУХСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ

ZnO/ZnхFe1-хO

студент гр. ПФм-171 И.С. Ильяшев, В.А. Макагонов, С.Ю. Панков

кафедра физики твердого тела ВГТУ

Термовольтаический эффект заключается в том, что в условиях отсутствия перепада температур, на противоположных гранях двухслойного, градиентным образом легированного полупроводникового образца возникает электрическое напряжение, величина которого может достигать десятков милливольт [1]. Термоэлектрический преобразователь на основе данного эффекта обладает рядом преимуществ перед устройствами, принцип работы которых основан на эффекте Зеебека: отсутствие необходимости создания градиента температуры, меньший вес и др.

Двухслойные тонкопленочные структуры ZnO/ZnхFe1-хO были получены методом ионно-лучевого распыления керамической мишени на подложку из ситалла в вакууме не хуже P = 10-2 Па. Керамическая мишень размером 280х80 мм2 представляла из себя пластины ZnO, закрепленные на медном водоохлаждаемом основании. Для получения слоев ZnхFe1-хO на поверхность мишени ZnO вдоль длины подложки неравномерным образом были установлены навески чистого Fe, что позволило в одном цикле напыления получить слои ZnхFe1-хO с различным содержанием железа. Формирование двухслойных структур ZnO/ZnхFe1-хO происходило в две стадии. Вначале было проведено напыление слоя чистого ZnO, затем, поверх него был нанесен слой ZnхFe1-хO. Время напыления ка-

ждого из слоев составляло 3 часа.

На рисунке представлены зависимости термовольтаического отклика для двухслойных структур ZnO/ZnхFe1-хO в исходном состоянии, измеренные в диапазоне температур 25 – 350 °С. Согласно полученным данным, для всех изученных образцов значения термовольтаического отклика монотонно увеличиваются с повышением температуры. Увеличение содержания Fe приводит к увеличению угла наклона графика зависимости термовольтаического отклика от температуры. Максимальное значение отклика составило около 1500 мкВ при 350 °С для образца

Zn0,79Fe0,21O.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 16-08-36411).

Литература

1. Механизм возникновения электродвижущей силы при нагревании кристаллов SmS / В.В. Каминский, Л.Н. Васильев, М.В. Романова, С.М. Соловьев // Физика твердого тела. – 2001. – Т.

43. – Вып. 6. – С. 997 – 999.

16

УДК 537.9

ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ОКСИДА ЦИНКА МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО РАСПЫЛЕНИЯ

студент гр. ТФ-161, В.В. Бассараб, В.А. Макагонов, С.Ю. Панков, студент гр. ТФ-141 В.А. Юрьев,

кафедра физики твердого тела ВГТУ

Тонкие пленки оксида цинка (ZnO) были получены методом ионно-лучевого распыления на установке УВМ-2М. Для получения градиента толщин на подложках в ходе одного технологического процесса между мишенью и подложкодержателем устанавливается V- образный экран. Напыление тонких пленок проводилось в вакууме не хуже ~ 7·10-4 Торр. Для изучения влияния условий получения на свойства тонкопленочных образцов, было синтезировано четыре серии образцов при различных параметрах напыления, в каждой из которой толщина тонких пленок ZnO изменялась с номером образца.

Параметры получения тонких пленок ZnO

Рентгеноструктурный фазовый анализ показал, что все образцы имеют две фазы. Одна фаза - аморфный ZnO, что выражается в виде большого протяженного гало на картинах рентгеновской дифракции, вторая фаза кристаллический ZnO – на рентгенограмме имеется 4 четко различимых пика. Оценки степени кристалличности полученных тонких пленок по интегральным интенсивностям областей для аморфной и кристаллической фазы дает значение порядка 7 %.

1 без H2; 2 – 2,5·10-5 Торр.; 3 5,4·10- Торр; 4 9,2·10-5 Торр Рентгенограммы тонких пленок ZnO полученных при различных давлениях водорода

Кристаллическая фаза ZnO характеризуется гексагональной решеткой вюрцита (пространственная группа P63mc), оценка параметров которой дает значения a = 3.322 0.001 Å и с = 5.315 0.002 Å. Сравнивая полученные значения с табличными параметрами (а = 3.325 Å и с = 5.205 Å) можно сделать вывод, что в процессе ионно-лучевого напыления формируются тонкие пленки ZnO с крайне дефектной структурой, что приводит в основном к увеличению параметра с.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки в рамках проектной части государственного задания (проект № 3.1867.2017/ПЧ).

17