1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2025-30-2-140-148DAVIGM537.323Mатериалы электроникиInvestigation of the property stability for low-temperature nanostructured thermoelectric materials based on BiTeSe and BiSbTeИсследование стабильности свойств низкотемпературных наноструктурированных термоэлектрических материалов на основе BiTeSe и BiSbTeШтерн Максим ЮрьевичШтернМаксим ЮрьевичShternMaxim Yu.Maxim Yu. ShternШерченков Алексей АнатольевичШерченковАлексей АнатольевичSherchenkovAlexey A.Alexey A. SherchenkovШтерн Юрий ИсааковичШтернЮрий ИсааковичShternYuri I.Yuri I. ShternБабич Алексей ВальтеровичБабичАлексей ВальтеровичBabichAlexey V.Alexey V. BabichРогачев Максим СергеевичРогачевМаксим СергеевичRogachevMaxim S.Maxim S. RogachevБабич Татьяна АлександровнаБабичТатьяна АлександровнаBabichTatyana A.Tatyana A. BabichМарончук Игорь ИгоревичМарончукИгорь ИгоревичMaronchukIgor I.Igor I. MaronchukNational Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1)JSC “Optron” (Russia, 105187, Moscow, Shcherbakovskaya st., 53)04092025Том. 30 №22140148http://ivuz-e.ru/en/issues/.Том 30 №2/issledovanie_stabilnosti_svoystv_nizkotemperaturnykh_nanostrukturirovannykh_termoelektricheskikh_mat/

A promising method for increasing the efficiency of thermoelectric (TE) energy converters as alternate energy sources is the nanostructuring of TE materials used for fabrication of TE elements. Wide spreading of TE devices is hampered by their low efficiency that is defined by thermoelectric figure of merit ZT of TE elements. In this work, the stability of the properties of low-temperature nanostructured TE materials based on solid solutions of n-type Bi2Te2.8Se0.2 (0.16 wt. % CdCl2) and p-type Bi0.5Sb1.5Te3 (2.2 wt. % Te and 0.16 wt. % TeI4), obtained by grinding the synthesized materials in a planetary ball mill and subsequent compaction by spark plasma sintering. TE materials Bi2Te2.8Se0.2 and Bi0.5Sb1.5Te3 have high maximum ZT values of 1.17 and 1.23, respectively. The thermal stability of Bi2Te2.8Se0.2 and Bi0.5Sb1.5Te3 materials properties was studied using multiple measurements by differential scanning calorimetry and thermogravimetry. Thermoelectric and electrophysical characteristics of TE materials at temperatures up to 500 K were obtained. It has been established that nanostructuring has no significant effect on the thermal stability of the low-temperature nanostructured TE materials under study.

Перспективным методом повышения эффективности термоэлектрических преобразователей энергии как источников альтернативной энергии является наноструктурирование термоэлектрических материалов, используемых для изготовления термоэлементов. Широкому распространению термоэлектрических устройств препятствует их низкая эффективность, которая определяется термоэлектрической добротностью ZT термоэлектрических материалов. В работе исследована стабильность свойств низкотемпературных наноструктурированных термоэлектрических материалов на основе твердых растворов Bi2Te2,8Se0,2 (0,16 масс. % CdCl2) n-типа и Bi0,5Sb1,5Те3 (2,2 масс. % Те и 0,16 масс. % TeI4) p-типа, полученных в результате измельчения в планетарной шаровой мельнице и последующего компактирования методом искрового плазменного спекания. Термоэлектрические материалы Bi2Te2,8Se0,2 и Bi0,5Sb1,5Те3 имеют высокие максимальные значения термоэлектрической добротности ZT, равные 1,17 и 1,23 соответственно. Термическая стабильность свойств материалов Bi2Te2,8Se0,2 и Bi0,5Sb1,5Те3 исследована с помощью многократных измерений методами дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрии. Получены термоэлектрические и электрофизические характеристики термоэлектрических материалов при температурах до 500 К. Установлено, что наноструктурирование не оказывает существенного влияния на термическую стабильность исследованных низкотемпературных наноструктурированных термоэлектрических материалов.

thermoelectricitythermal propertiesstabilitythermoelectric generatorTEGthermoelectricitythermal propertiesstabilitythermoelectric generatorTEGработа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания (Соглашение FSMR-2023-0014).the work has been supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under the state assignment (Agreement FSMR-2023-0014). 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;293:116463. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2023.116463Wolf M., Hinterding R., Feldhoff A. High power factor vs. high zT – A review of thermoelectric materials for high-temperature application. Entropy. 2019;21(11):1058. https://doi.org/10.3390/e21111058Arshad F., Lin J., Manurkar N., Fan E., Ahmad A., Tariq M. et al. Life cycle assessment of lithium-ion batteries: A critical review. Resour. Conserv.Recycl. 2022;180:106164. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2022.106164Wu B., Wei W., Guo Y., Yip W. H., Tay B. K., Hou C. et al. Stretchable thermoelectric generators with enhanced output by infrared reflection for wearable application. Chem. Eng. J. 2023;453(1):139749. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139749Ding Z., Li G., Wang Y., Du Ch., Ye Zh., Liang L. et al. Ultrafast response and threshold adjustable intelligent thermoelectric systems for next-generation self-powered remote IoT fire warning. Nano-Micro Lett. 2024;16:242. https://doi.org/10.1007/s40820-024-01453-xLamba R., Kaushik S. C., Tyagi S. K. Geometric optimization of trapezoidal thermoelectric heat pump considering contact resistances through genetic algorithm. Int. J. Energy Res. 2018;42(2):633–647. https://doi.org/10.1002/er.3845Chen J., Fang Zh., 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;262(A):125472. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.125472Shtern Yu., Sherchenkov A., Shtern M., Rogachev M., Pepelyaev D. Challenges and perspective recent trends of enhancing the efficiency of thermoelectric materials on the basis of PbTe. Mater.Today Commun.2023;37:107083. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.107083Sherchenkov A. A., Shtern Yu. I., Mironov R. E., Shtern M. Yu., Rogachev M. S. Current state of thermoelectric material science and the search for new effective materials. Nanotechnol. Russ. 2015;10:827–840. https://doi.org/10.1134/S1995078015060117Kumar A., Bano S., Govind B., Bhardwaj A., Bhatt K., Misra D. K. A review on fundamentals, design and optimization to high zT of thermoelectric materials for application to thermoelectric technology.J. Electron. Mater. 2021;50:6037–6059. https://doi.org/10.1007/s11664-021-09153-7Bharwdaj A., Jat K. S., Patnaik S., Parkhomenko Yu. N., Nishino Y., Khovaylo V. V. Current research and future prospective of iron-based Heusler alloys as thermoelectric materials. Nanotechnol. Russ. 2020;14:281–289. https://doi.org/10.1134/S1995078019040049Finn P. A., Asker C., Wan K., Bilotti E., Fenwick O., Nielsen C. B. Thermoelectric materials: Current status and future challenges. Front. Electron.Mater. 2021;1:677845. https://doi.org/10.3389/femat.2021.677845Rad M. K., Rezania A., Omid M., Rajabipour A., Rosendahl L. Study on material properties effect for maximization of thermoelectric power generation. Renewable Energy. 2019;138:236–242. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.01.104Shtern M. Yu. Nanostructured thermoelectric materials for temperatures of 200–1200 K obtained by spark plasma sintering. Semiconductors. 2022;56:437–443. https://doi.org/10.1134/S1063782622130152Штерн М. Ю. Получение и исследование нанодисперсных порошков термоэлектрических материалов. Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2022;25(3):188–201. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2022-3-188-201. EDN: ALLIQK.Shtern M. Yu. Preparation and study of nanodispersed powders of thermoelectric materials.Izv.vuzov. Materialy elektronnoi tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2022;25(3):188–201. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/1609-3577-2022-3-188-201Li J.-F., Pan Y., Wu C.-F., Sun F.-H., Wei T.-R.Processing of advanced thermoelectric materials.Sci. China Technol. Sci. 2017;60:1347–1364. https://doi.org/10.1007/s11431-017-9058-8Yang L., Chen Z.-G., Dargusch M., Zou J. High performance thermoelectric materials: Progress and their applications. Adv. Energy Mater. 2018;8(6):1701797. https://doi.org/10.1002/aenm.201701797Kumar A., Chaturvedi K. M., Bano S., Govind B., Misra D. K. Enhanced thermoelectric performance of p-type ZrCoSb0.9Sn0.1 via tellurium doping.Mater. Chem. Phys. 2021;258:123915. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.123915Shtern M., Sherchenkov A., Shtern Yu., Borgardt N., Rogachev M., Yakubov A. et al. Mechanical properties and thermal stability of nanostructured thermoelectric materials on the basis of PbTe and GeTe. J. Alloys Compd. 2023;946:169364. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169364Rogachev M. S., Shtern M. Yu., Shtern Yu. I. Mechanisms of heat transfer in thermoelectric materials. Nanotechnol. Russ. 2021;16(3):308–315. https://doi.org/10.1134/S2635167621030162Liang Z., Xu C., Shang H., Zhu Q., Ding F., Mao J., Ren Z. High thermoelectric energy conversion efficiency of a unicouple of n-type Mg3Bi2 and p-type Bi2Te3.Mater. Today Phys. 2021;19:100413. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100413Ouyang Y., Zhang Zh., Li D., Chen J., Zhang G. Emerging theory, materials, and screening methods: New opportunities for promoting thermoelectric performance. Annalen der Physik. 2019;531(4):1800437. https://doi.org/10.1002/andp.201800437Zhao C., Li Zh., Fan T., Xiao Ch., Xie Y. Defects engineering with multiple dimensions in thermo-electric materials. Research. 2020;2020:9652749. https://doi.org/10.34133/2020/9652749Zhou X., Yan Y., Lu X., Zhu H., Han X., Chen G., Ren Zh. Routes for high-performance thermoelectric materials. Mater.Today. 2018;21(9):974–988. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.03.039ГОСТ 20018–74. Сплавы твердые спеченные. Метод определения плотности. М.: Изд-во стандартов; 1986. 5 с.GOST 20018–74.Sintered hardmetals.Determination of density. Moscow: Izd-vo standartov Publ.; 1986. 5 p. (In Russ.).Shtern M. Yu. Development and application of a research technique to study thermal and electrophysical parameters of thermoelectric materials at temperatures up to 1200 K. In: 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). St. Petersburg; Moscow: IEEE; 2019, pp. 1920–1926. https://doi.org/10.1109/EIConRus.2019.8657108Штерн М. Ю. Наноструктурированные термоэлектрические материалы для температур 200–1200 К, полученные искровым плазменным спеканием. Изв. вузов. Электроника. 2022;27(6):695–706. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-6-695-706. EDN: QVLUDB.ShternM. Yu. Nanostructured thermoelectric materials for temperatures from 200 to 1200 K obtained by spark plasma sintering. Izv.vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics. 2022;27(6):695–706. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-6-695-706