Inorganic MaterialsInorganic MaterialsНеорганические материалы0002-337X3034-5588The Russian Academy of Sciences68695110.31857/S0002337X25010124KFXSOMМАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОНФЕРЕНЦИИ “ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ХАЛЬКОГЕНИДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ: ФИЗИКА, ТЕХНОЛОГИИ И ПРИМЕНЕНИЯ”, МОСКВА, 23–27 июня 2024 г.Research ArticleИсследование термического расширения наноструктурированных материалов на основе PbTe И GeTeИсследование термического расширения наноструктурированных материалов на основе PbTe И GeTeШтернЮ. И.
Russian Federation
m.s.rogachev88@gmail.comРогачевМ. С.
Russian Federation
m.s.rogachev88@gmail.comШтернМ. Ю.
Russian Federation
m.s.rogachev88@gmail.comШерченковА. А.
Russian Federation
m.s.rogachev88@gmail.comТабачковаН. Ю.
Russian Federation
m.s.rogachev88@gmail.comНациональный исследовательский университет “Московский институт электронной техники”Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”15022025611-21181230707202507072025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0002-337X/article/view/686951

Дилатометрическим методом проведены исследования теплового расширения наноструктурированных термоэлектрических материалов (ТЭМ), полученных искровым плазменным спеканием нанодисперсного порошка из синтезированных PbTe (0.3 мас.% PbI2 и 0.3 мас.% Ni) n-типа и GeTe (7.2 мас.% Bi) p-типа. Плотность полученных ТЭМ составила 97–98% от плотности синтезированных материалов. Установлено, что термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) PbTe с ростом температуры увеличивается с 20.14 × 10–6 К–1 при 550 К до 23.07 × 10–6 К–1 при 900 К. ТКЛР GeTe с ростом температуры падает от 13.94 × 10–6 К–1 при 550 К до 11.93 × 10–6 К–1 при 675 К, затем растет до 24.47 × 10–6 К–1 при 900 К. Проведено сравнение ТКЛР наноструктурированных материалов и материалов, полученных традиционными методами. При температурах от 300 до 750 К значения ТКЛР PbTe и GeTe различаются на 15–40%, что может приводить к разрушению термоэлементов.

термоэлементынаноструктурированиетермоэлектрические материалытермическое расширениеРоссийский научный фондRussian Science Foundation24-19-00158Shi X.L., Zou J., Chen Z.G. Advanced thermoelectric design: from materials and structures to devices // Chem. Rev. 2020. V. 120. № 15. P. 7399–7515. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00026Sauerschnig P., Jood P., Ohta M. Improved high‐temperature material stability and mechanical properties while maintaining a high figure of merit in nanostructured p‐type PbTe‐based thermoelectric elements // Adv. Mater. Technol. 2023. V. 8. № 5. P. 2201295. https://doi.org/10.1002/admt.202201295Zhai J., Wang T., Wang H., Su W., Wang X., Chen T., Wang C. Strategies for optimizing the thermoelectricity of PbTe alloys // Chin. Phys. B. 2018. V. 27. № 4. P. 047306. https://doi.org/10.1088/1674-1056/27/4/047306Штерн М.Ю. Наноструктурированные термоэлектрические материалы для температур 200–1200 К, полученные искровым плазменным спеканием // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 6. С. 695–706.Штерн М.Ю., Шерченков А.А., Штерн Ю.И., Рогачев М.С., Бабич А.В. Термоэлектрические свойства и термическая стабильность наноструктурированных термоэлектрических материалов на основе PbTe, GeTe и SiGe // Российские нанотехнологии. 2021. Т. 16. № 3. С. 399–408. https://doi.org/10.1134/S1992722321030171Shtern M., Sherchenkov A., Shtern Y., Borgardt N., Rogachev M., Yakubov A., Babich A., Pepelyaev D., Voloshchuk I., Zaytseva Y., Pereverzeva S., Gerasimenko A., Potapov D., Murashko D. Mechanical properties and thermal stability of nanostructured thermoelectric materials on the basis of PbTe and GeTe // J. Alloys Compd. 2023. V. 946. P. 169364-1–169364-16. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169364Zheng Y., Tan X.Y., Wan X., Cheng X., Liu Z., Yan Q. Thermal stability and mechanical response of Bi2Te3-based materials for thermoelectric applications // ACS Appl. Energy Mater. 2019. V. 3. № 3. P. 2078–2089. https://doi.org/10.1021/acsaem.9b02093Male J.P., Hanus R., Snyder G.J., Hermann R.P. Thermal evolution of internal strain in doped PbTe // Chem. Mater. 2021. V. 33. № 12. P. 4765–4772. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c01335Wang X.K., Veremchuk I., Bobnar M., Zhao J.T., Grin Y. Solid solution Pb1−xEuxTe: constitution and thermoelectric behavior // Inorg. Chem. Front. 2016. V. 3. № 9. P. 1152−1159. https://doi.org/10.1039/c6qi00161kYoneda S., Kato M., Ohsugi I.J. Anomalous thermal expansion of Pb–Te system semiconductors // J. Appl. Phys. 2010. V. 107. P. 074901-1–074901-6. https://doi.org/10.1063/1.3361282Hong M., Zou J., Chen Z.G. Thermoelectric GeTe with diverse degrees of freedom having secured superhigh performance // Adv. Mater. 2019. V. 31. № 14. P. 1807071. https://doi.org/10.1002/adma.201807071Zhang C., Yan G., Wang Y., Wu X., Hu L., Liu F., Ao W., Cojocaru-Mirédin O., Wuttig M., Snyder G.J., Yu Y. Grain boundary complexions enable a simultaneous optimization of electron and phonon transport leading to high‐performance GeTe thermoelectric devices // Adv. Energy Mater. 2023. V. 13. № 3. P. 2203361. https://doi.org/10.1002/aenm.202203361Wiedemeier H., Siemers P.A. The thermal expansion of GeS and GeTe // Z. Anorg. Allg. Chem. 1977. V. 431. № 1. P. 299–304. https://doi.org/10.1002/zaac.19774310134Bai G., Yu Y., Wu X., Li J., Xie Y., Hu L., Liu F., Wuttig M., Cojocaru-Mirédin O., Zhang C. Boron strengthened GeTe‐based alloys for robust thermoelectric devices with high output power density // Adv. Energy Mater. 2021. V. 11. № 37. P. 2102012. https://doi.org/10.1002/aenm.202102012Minikayev R., Safari F., Katrusiak A., Szuszkiewicz W., Szczerbakow A., Bell A., Elizabieta D., Paszkowicz W. Thermostructural and elastic properties of PbTe and Pb0.884Cd0.116Te: a combined low-temperature and high-pressure X-ray diffraction study of Cd-substitution effects // Crystals. 2021. V. 11. № 9. P. 1063. https://doi.org/10.3390/cryst11091063Xing T., Song Q., Qiu P., Zhang Q., Xia X., Liao J., Liu R., Huang H., Yang J., Bai S., Ren D., Shi X., Chen L. Superior performance and high service stability for GeTe-based thermoelectric compounds // Natl. Sci. Rev. 2019. V. 6. № 5. P. 944–954. https://doi.org/10.1093/nsr/nwz052Wang L., Li J., Xie Y., Hu L., Liu F., Ao W., Luo J., Zhang C. Tailoring the chemical bonding of GeTe-based alloys by MgB2 alloying to simultaneously enhance their mechanical and thermoelectric performance // Mater. Today Phys. 2021. V. 16. P. 100308. https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2020.100308Li J., Zhao S., Chen J., Han C., Hu L., Liu F., Ao W., Li A., Xie H., Zhang C. Al–Si alloy as a diffusion barrier for GeTe-based thermoelectric legs with high interfacial reliability and mechanical strength // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. № 16. P. 18562–18569. https://doi.org/10.1021/acsami.0c02028Орешко Е.И., Уткин Д.А., Ерасов В.С., Ляхов А.А. Методы исследования микротвердости материалов (обзор) // Тр. ВИАМ. 2020. Т. 85. № 1. С. 101–117. https://doi.org/10.18577/2307-6046-2020-0-1-101-117Shtern M.Yu., Matyna L.I., Rogachev M.S., Merlyan A.P. Investigation of the composition and mechanical strength of effective thermoelectric materials // IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (Jan. 26–29). Moscow and St. Petersburg. 2021. P. 2481–2484. https://doi.org/10.1109/ElConRus51938.2021.9396337Hayashi T., Sekine M., Suzuki J., Horio Y., Takizawa H. Thermoelectric and mechanical properties of angular extruded Bi0.4Sb1.6Te3 compounds // Mater. Trans. 2007. V. 48. № 10. P. 2724–2728. https://doi.org/10.2320/matertrans.MRA2007114Shtern Y.I., Rogachev M.S., Bublik V.T., Tarasova I.V., Pozdniakov A.V. The results of thermal expansion investigation for effective thermoelectric materials // Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (Jan. 28–31). Moscow. 2019. P. 1932–1936. https://doi.org/10.1109/EIConRus.2019.8656804