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
1. Wood T. All-Dielectric Color Filters Using SiGe-Based Mie Resonator Arrays /
Wood T., Naffouti M., Berthelot J., David T., Claude J.-B., Métayer L., Delobbe
A., Favre L., Ronda A., Berbezier I., Bonod N., Abbarchi M. // ACS Photonics –
2017. – Т. 4 – № 4 – С.873–883.
2. Zhigunov D.M.M. Femtosecond Laser Printing of Single Ge and SiGe
Nanoparticles with Electric and Magnetic Optical Resonances / Zhigunov D.M.M.,
Evlyukhin A.B.B., Shalin A.S.S., Zywietz U., Chichkov B.N.N. // ACS Photonics
– 2018. – Т. 5 – № 3 – С.977–983.
3. Yang Y. Morphology- and Porosity-Tunable Synthesis of 3D Nanoporous SiGe
Alloy as a High-Performance Lithium-Ion Battery Anode / Yang Y., Liu S., Bian
X., Feng J., An Y., Yuan C. // ACS Nano – 2018. – Т. 12 – № 3 – С.2900–2908.
4. Delime-Codrin K. Large figure of merit ZT = 1.88 at 873 K achieved with
nanostructured Si0.55Ge0.35(P0.10Fe0.01) / Delime-Codrin K., Omprakash M.,
Ghodke S., Sobota R., Adachi M., Kiyama M., Matsuura T., Yamamoto Y.,
Matsunami M., Takeuchi T. // Applied Physics Express – 2019. – Т. 12 – № 4.
5. Ahmad S. Optimization of Thermoelectric Properties of Mechanically Alloyed
p-Type SiGe by Mathematical Modelling / Ahmad S., Singh A., Basu R., Vitta S.,
Muthe K.P.P., Gadkari S.C.C., Gupta S.K.K. // Journal of Electronic Materials –
2019. – Т. 48 – № 1 – С.649–655.
6. Guo X. Double effects of high pressure and Sb doping content on thermoelectric
properties of Bi2Te3-based alloys / Guo X., Jia X., Su T., Jie K., Sun H., Ma H. //
Chemical Physics Letters – 2012. – Т. 550 – С.170–174.
7. Ovsyannikov S. V High-Pressure Routes in the Thermoelectricity or How One
Can Improve a Performance of Thermoelectrics / Ovsyannikov S. V, Shchennikov
V. V // Chemistry of Materials – 2010. – Т. 22 – № 3 – С.635–647.
8. Polian A. Two-dimensional pressure-induced electronic topological transition in
Bi2Te3 / Polian A., Gauthier M., Souza S.M., Triches D.M., Lima J.C. de, Grandi
T.A. // Physical Review B – 2011. – Т. 83 – № 11.
9. Mujica A. High-pressure phases of group-IV, III-V, and II-VI compounds /
Mujica A., Rubio A., Muñoz A., Needs R.J. // Reviews of Modern Physics – 2003.
– Т. 75 – № 3 – С.863–912.
10. McMahon M.I. New high-pressure phase of Si / McMahon M.I., Nelmes R.J.
// Physical Review B – 1993. – Т. 47 – № 13 – С.8337.
11. Crain J. Reversible pressure-induced structural transitions between metastable
phases of silicon / Crain J., Ackland G.J., Maclean J.R., Piltz R.O., Hatton P.D.,
Pawley G.S. // Physical Review B – 1994. – Т. 50 – № 17 – С.13043.
12. Principi E. Polyamorphic transition of germanium under pressure / Principi E.,
Cicco A. Di, Decremps F., Polian A., Panfilis S. De, Filipponi A. // Physical
Review B – Condensed Matter and Materials Physics – 2004. – Т. 69 – № 20 –
С.201201.
Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:
Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых зарубежных и
российских научных журналах, определенных Перечнем ВАК и
Аттестационным советом УрФУ и индексируемых в базах цитирования
WOS и Scopus:
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (37 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
4.9 (826 отзывов)
4.8 (9 отзывов)
4.9 (298 отзывов)
4.5 (330 отзывов)
4.9 (522 отзыва)
5 (18 отзывов)
5 (49 отзывов)
