Термоэлектрические явления в твердых растворах Si-Ge и (Bi,Sb)2(Te,Se)3 при высоком давлении : диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук : 01.04.10

Актуальность темы исследования. В условиях высоких давлений в кристаллических материалах, как правило, происходят существенные изменения в кристаллической и электронной структурах, а также в дефектно- примесной структуре, что приводит к значительным изменениям в электронных, оптических, магнитных, и др. свойствах вещества. Управление электронными, оптическими, магнитными и другими характеристиками материалов с помощью приложенного внешнего давления представляется эффективной стратегией, которая может привести к созданию полезных устройств для практических приложений.
Кремний, германий и их твердые растворы (Si-Ge) являются классическими полупроводниками и играют важную роль, как модельные системы для целого ряда фундаментальных и прикладных дисциплин, таких как физика полупроводников, прикладная физика, а также широко применяются в промышленности. Например, сплавы кремния и германия эффективно используются в таких сферах, как биполярные технологии [1], фотонные устройства [2], литий-ионные батареи [3], преобразователи энергии [4, 5], включающие, как солнечные батареи, так и термоэлектрические модули. Таким образом, исследования этих материалов очень актуальны.
На сегодняшний день, большое внимание уделяется поиску методов повышения рабочих характеристик термоэлектрических элементов для их более широкого и эффективного применения. Многие экспериментальные и теоретические работы указывают на потенциал высоких давлений и механических стрессов для улучшения рабочих параметров термоэлектриков. Твердые растворы на основе теллурида висмута являются одними из наиболее перспективных среди материалов для высокопроизводительных термоэлементов работающих в области температур 100−500 K. Ранее, было обнаружено, что термоэлектрические свойства p-Bi2Te3 действительно улучшаются под действием приложенного высокого давления [6, 7]. Кроме того, в Bi2Te3 под давлением был обнаружен двумерный электронный топологический переход [8]. Многокомпонентные материалы на основе теллурида висмута, например, сплавы (Bi,Sb)2(Te,Se,S)3 представляют наибольший практический интерес, так как химическое замещение заметно повышает их термоэлектрическую эффективность в условиях нормального давления.
3
Цель диссертационного исследования состояла в том, чтобы выяснить особенности влияния высокого давления (до 20 ГПа) на термоэлектрические и электронные свойства полупроводниковых материалов: кремния и германия, их твердых растворов, а также бинарных полупроводников V-VI группы и их твердых растворов.
В связи с этим, предстояло решить следующие задачи:
 Установить величину и знак термоЭДС кремния и германия в
металлических фазах высокого давления и метастабильных фазах.
 Определить условия изменения величины и знака термоЭДС в твердых растворах Si1-xGex (0.014≤x≤0.026) под действием давления в области
стабильности исходной фазы с алмазоподобной структурой.
 Определить характер влияния содержания кремния в твердых растворах Si1-xGex (0.87≤x≤1) на знак и величину термоЭДС в метастабильной тетрагональной фазе, полученной при декомпрессии твердых растворов
после приложения высокого давления выше 13 ГПа.
 Провести анализ барического поведения термоЭДС,
электросопротивления и термоэлектрического фактора мощности твердых многокомпонентных растворов n-Bi2Te3−x−ySexSy (x = 0.27, 0.3, y = 0 и x = y = 0.09) и p-BixSb2-xTe3 (x=0.4, 0.5, 0.6, 2). Изучить возможность улучшения термоэлектрических параметров в этих соединениях путем приложения квазигидростатического давления.
 Разработать модель термоэлектрического модуля, позволяющего использовать эффекты высокого давления для повышения термоэлектрических параметров.
 Установить последовательность структурных фазовых переходов в твердом растворе Bi0.5Sb1.5Te3 в области давлений до 25 ГПа и исследовать поведение структурных параметров Bi2Te3 и Bi0.5Sb1.5Te3 под давлением в орторомбической фазе.
Научная новизна диссертационной работы:
 Получены данные о величине, знаке и зависимости от давления термоЭДС
в полупроводниковых и металлических фазах высокого давления в образцах кремния и германия с различной исходной дефектно-примесной структурой при комнатной температуре. Показано, что величина и знак термоЭДС кремния и германия в металлических фазах высокого давления являются собственными характеристиками этих материалов, определяя их как системы p-типа.
4

 Обнаружен эффект изменения знака термоЭДС в твердых растворах Si1- xGex (0.014