При создании прецизионных систем регулирования температуры необходимо учитывать множество факторов, которые влияют на функциональные и эксплуатационные характеристики термоэлектрических систем. В работе рассмотрено метрологическое обеспечение для исследования и контроля параметров термоэлектрических материалов, структур и приборов на всех этапах разработки и изготовления термоэлектрических систем. Представлены разработанные и полученные эффективные наноструктурированные материалы на основе BiTeSe и BiSbTe с безразмерной термоэлектрической добротностью 1,16 и 1,24 соответственно. Проведены комплексные исследования данных материалов, определены механизмы электро- и теплопроводности, установлена взаимосвязь между структурой и их параметрами. Разработана технология металл-диэлектрических коммутационных матриц на основе оксидированных сплавов алюминия для термоэлектрических модулей. Определена кинетика роста пористых анодных оксидных пленок на сплавах алюминия. Обоснованы способы формирования и применения материалов контактов в термоэлектрических модулях, удельное контактное сопротивление которых равно 10–9 Ом·м2, а адгезионная прочность составляет до 19 МПа. Разработана технология герметизации термоэлектрических модулей с повышенной надежностью и механической прочностью. Определены и обоснованы критерии проектирования, на основе которых изготовлены источники питания для термоэлектрических систем с низким уровнем пульсаций (0,3 %) и высоким КПД (93 %). Для расчета температуры в электронных термометрах разработаны и подтверждены математические модели, позволяющие определять температуру с точностью до 5·10–3 К. Представленные высокоточные электронные средства измерения температуры, а также прецизионные термоэлектрические термостаты, калибраторы, камеры тепла и холода имеют рабочие температуры от –50 до +60 °С.
Штерн Юрий Исаакович
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1
Штерн Максим Юрьевич
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
1. Salah W. A., Abuhelwa M. Review of thermoelectric cooling devices recent applications // JESTEC. 2020. Vol. 15. No. 1. P. 455–476.
2. Zaferani S. H., Sams M. W., Ghomashchi R., Chen Z.-G. Thermoelectric coolers as thermal management systems for medical applications: Design, optimization, and advancement // Nano Energy. 2021. Vol. 90 (A). Art. ID: 106572. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106572
3. Siddique A. R. M., Venkateshwar K., Mahmud S., Heyst B. van. Performance analysis of bismuth-antimony-telluride-selenium alloy-based trapezoidal-shaped thermoelectric pallet for a cooling application // Energy Convers. Manag. 2020. Vol. 222. Art. ID: 113245. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113245
4. Разработка математических моделей для интеллектуальных систем управления прецизионным термическим оборудованием / Ю. И. Штерн, Я. С. Кожевников, В. М. Рыков и др. // Изв. вузов. Электроника. 2010. № 2 (82). С. 52–59. EDN: LMCYMD.
5. Штерн Ю. И., Кожевников Я. С., Рыков В. М., Миронов Р. Е. Математические модели и аппаратно-программные средства для высокоточных электронных измерителей температуры // Изв. вузов. Электроника. 2013. № 1 (99). С. 10–17. EDN: PWUTDF.
6. Theoretical and experimental investigations of thermoelectric refrigeration box used for medical service / R.-R. He, H.-Y. Zhong, Y. Cai et al. // Procedia Engineering. 2017. Vol. 205. P. 1215–1222. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.356
7. Review of experimental approaches for improving zT of thermoelectric materials / Z. Ma, J. Wei, P. Song et al. // Mater. Sci. Semicond. Process. 2021. Vol. 121. Art. ID: 105303. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2020.105303
8. Compromise and synergy in high‐efficiency thermoelectric materials / T. Zhu, Y. Liu, C. Fu et al. // Adv. Mater. 2017. Vol. 29. Iss. 14. Art. ID: 1605884. https://doi.org/10.1002/adma.201605884
9. Современное состояние термоэлектрического материаловедения и поиск новых эффективных материалов / А. А. Шерченков, Ю. И. Штерн, Р. Е. Миронов и др. // Российские нанотехнологии. 2015. Т. 10. № 11-12. С. 22–32. EDN: VBTZWL.
10. Штерн М. Ю. Наноструктурированные термоэлектрические материалы для температур 200–1200 К, полученные искровым плазменным спеканием // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 6. С. 695–706. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-6-695-706. – EDN: QVLUDB.
11. A review on fundamentals, design and optimization to high zT of thermoelectric materials for application to thermoelectric technology / A. Kumar, S. Bano, B. Govind et al. // J. Electron. Mater. 2021. Vol. 50. P. 6037–6059. https://doi.org/10.1007/s11664-021-09153-7
12. Processing of advanced thermoelectric materials / J. Li, Y. Pan, C. Wu et al. // Sci. China Technol. Sci. 2017. Vol. 60. P. 1347–1364. https://doi.org/10.1007/s11431-017-9058-8
13. A review on recent developments of thermoelectric materials for room-temperature applications / Z. Soleimani, S. Zoras, B. Ceranic et al. // Sustainable Energy Technol. Assess. 2020. Vol. 37. Art. ID: 100604. https://doi.org/10.1016/j.seta.2019.100604
14. Cai B., Hu H., Zhuang H.-L., Li J.-F. Promising materials for thermoelectric applications // J. Alloys Compd. 2019. Vol. 806. P. 471–486. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.07.147
15. Shi X.-L., Zou J., Chen Z.-G. Advanced thermoelectric design: From materials and structures to devices // Chem. Rev. 2020. Vol. 120. Iss. 15. P. 7399–7515. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00026
16. Recent advances in inorganic material thermoelectrics / P. Ren, Y. Liu, J. He et al. // Inorg. Chem. Front. 2018. Vol. 5. Iss. 10. P. 2380–2398. https://doi.org/10.1039/C8QI00366A
17. Thin-film contact systems for thermocouples operating in a wide temperature range / M. Shtern, M. Rogachev, Yu. Shtern et al. // J. Alloys Compd. 2021. Vol. 852. Art. ID: 156889. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156889
18. Pulsed-light surface annealing for low contact resistance interfaces between metal electrodes and bismuth telluride thermoelectric materials / G. Joshi, D. Mitchell, J. Ruedin et al. // J. Mater. Chem. C. 2019. Vol. 7. Iss. 3. P. 479–483. https://doi.org/10.1039/C8TC03147A
19. Electrical contact uniformity and surface oxidation of ternary chalcogenide alloys / P. A. Sharma, M. Brumbach, D. P. Adams et al. // AIP Advances. 2019. Vol. 9. Iss. 1. Art. No. 015125. https://doi.org/10.1063/1.5081818
20. Liu W., Bai S. Thermoelectric interface materials: A perspective to the challenge of thermoelectric power generation module // J. Materiomics. 2019. Vol. 5. Iss. 3. P. 321–336. https://doi.org/10.1016/j.jmat.2019.04.004
21. Semenyuk V. Effect of electrical contact resistance on the performance of cascade thermoelectric coolers // J. Electron. Mater. 2019. Vol. 48. Iss. 4. P. 1870–1876. https://doi.org/10.1007/s11664-018-6785-5
22. Штерн Ю. И. Технология получения и исследование пористых оксидных пленок на сплавах алюминия // Журнал прикладной химии. 2008. Т. 81. № 4. С. 546–550. EDN: JSBCRR.
23. Thermoelectric properties of efficient thermoelectric materials on the basis of bismuth and antimony chalcogenides for multisection thermoelements / M. Shtern, M. Rogachev, Yu. Shtern et al. // J. Alloys Compd. 2021. Vol. 877. Art. ID: 160328. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160328
24. Han J.-K., Shin D.-W., Madavali B., Hong S.-J. Investigation of spark plasma sintering temperature on microstructure and thermoelectric properties of p-type Bi-Sb-Te alloys // J. Powder Mater. 2017. Vol. 24 (2). P. 115–121. https://doi.org/10.4150/KPMI.2017.24.2.115