Известия высших учебных заведений. Электроника home

Исследование стабильности свойств низкотемпературных наноструктурированных термоэлектрических материалов на основе BiTeSe и BiSbTe

Раздел находится в стадии актуализации

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.

Ключевые слова: термоэлектричество, термические свойства, стабильность, термоэлектрический генератор
Опубликовано в разделе: Mатериалы электроники
Библиографическая ссылка: Штерн М. Ю., Шерченков А. А., Штерн Ю. И., Бабич А. В., Рогачев М. С., Бабич Т. А., Марончук И. И. Исследование стабильности свойств низкотемпературных наноструктурированных термоэлектрических материалов на основе BiTeSe и BiSbTe. Изв. вузов. Электроника. 2025;30(2):140–148. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2025-30-2-140-148. EDN: DAVIGM.
Источник финансирования: работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания (Соглашение FSMR-2023-0014).

Штерн Максим Юрьевич
Национальный исследовательский университет «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1)

Шерченков Алексей Анатольевич
Национальный исследовательский университет «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1)

Штерн Юрий Исаакович
Национальный исследовательский университет «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1)

Бабич Алексей Вальтерович
Национальный исследовательский университет «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1)

Рогачев Максим Сергеевич
Национальный исследовательский университет «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1)

Бабич Татьяна Александровна
Национальный исследовательский университет «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1)

Марончук Игорь Игоревич
кандидат технических наук, начальник участка АО «Оптрон» (Россия, 105187, г. Москва, ул. Щербаковская, 53)

1. 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.2023.116463
2. Wolf 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/e21111058
3. Arshad 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.2022.106164
4. Wu 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.2022.139749
5. Ding 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-x
6. Lamba 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.3845
7. Chen 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.2022.125472
8. Shtern 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.2023.107083
9. Sherchenkov 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/S1995078015060117
10. Kumar 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/s11664-021-09153-7
11. Bharwdaj 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/S1995078019040049
12. Finn 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.2021.677845
13. Rad 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.2019.01.104
14. Shtern 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/S1063782622130152
15. Штерн 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/10.17073/1609-3577-2022-3-188-201
16. Li 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/s11431-017-9058-8
17. Yang 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.201701797
18. Kumar 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.2020.123915
19. Shtern 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.2023.169364
20. Rogachev 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/S2635167621030162
21. Liang 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.2021.100413
22. Ouyang 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.201800437
23. Zhao 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/10.34133/2020/9652749
24. Zhou 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.2018.03.039
25. ГОСТ 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.).
26. 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.2019.8657108
27. Штерн 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

Сведения о публикации

УДК: 537.323
Тип публикации: Научная статья
Язык оригинала: Русский
DOI: 10.24151/1561-5405-2025-30-2-140-148
Идентификатор статьи в РИНЦ: DAVIGM
Полнотекстовая версия: Перейти

JATS XML