ЭКСПРЕСС-МЕТОДИКИ АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Цель. В последнее время отмечено резкое повышения интереса исследователей к термоэлектричеству (ТЭ) и его приложениям. Предложены новые конструкции  термоэлектрических преобразователей (ТЭП), получено большое число новых термоэлектрических материалов (ТЭМ) с термоэлектрической добротностью Z= a2s/k, повышенной методом нанотехнологий (НТ). (Здесь a, s и k  - коэффициент термо-э.д.с., удельные электропроводность и теплопроводность). В результате возникла необходимость резкого повышения производительности труда исследователей, работающих в ТЭ отрасли, в особенности  при  определении характеристик термоэлектрических материалов и термоэлектрических преобразователей, а также  при обработке возросшего объема литературных данных.  Целью настоящей работы является разработка комплекса методик экспресс-анализа характеристик термоэлектрических материалов и термоэлектрических преобразователей, позволяющая повысить производительность труда исследователей, работающих в ТЭ отрасли.

Метод. Проблема решалась путем подбора известных и создания новых методик исследования ТЭМ и ТЭП, в основе которых лежат нестационарные принципы измерений и компьютерные расчеты.

Результат. Результатом работы было расширение возможностей известных методов термозонда и  Хармана, используемых  для измерений  параметра Z  и его составляющих (a, s и k). Метод Хармана в работе распространен на многокаскадные модули и допускает пассивную компенсацию тепловых потерь при измерениях на воздухе (включение термопар (ТП) «голова к голове»). Разработаны методики оценки ширины запрещенной зоны Еg ТЭМ по кривым Z= f (T), а также расчета ТЭП с  использованием правила Ленца. Предложен метод диагностики фазы «фононное стекло - электронный кристалл» (ФСЭК) (1~ lph/a << λe/a) путем определения средних длин свободного пробега фононов  ph и электронов λe. (Здесь a= 3 нм – кратчайшее межатомное расстояние). Развит метод автоэлектрохимического легирования термоэлектрических материалов, а также диагностики наноструктур (НС)  путем определения зависимостей «физическое свойство – период идентичности x НС». Приведены примеры использования разработанных методик для анализа характеристик термоэлектрических материалов и термоэлектрических преобразователей.

Вывод. Показана возможность резкого повышения производительности труда исследователей, работающих в ТЭ отрасли.  Работа выполнялась по государственному заданию № 007-00129-18-00.

1. Nolas G.S., Sharp J., Goldsmid H.J. Thermoelectrics. Basic Principles and New Materials Developments. Berlin: Springer. 2001. 293 р.

2. Kaumoto С.K., Mori T. Thermoelectric Nanomaterials. Berlin: Springer. 2013. 387 p.

3. Goldsmid H. J.. Introduction to Thermoelectricity. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag. 2016. 278 p.

4. Анатычук Л.И. Вступитальное слово на XIV Международном форуме по термоэлектричеству (17-20 мая 2011, Москва) // Термоэлектричество. 2011. №2. C.89- 93.

5. Филин С.О. XVII Международный термоэлектрический форум (17-20 мая 2017, Белфаст) // Холодильный бизнес. 2017. №6. C. 36- 39.

6. Slack G. New materials and performance limits for thermoelectric cooling // CRC Handbook of Thermoelectrics. Ed.: Rowe D.M. N.Y. Boca Raton. 1995. P. 407- 440.

7. Harman T.C., Taylor P.J., Walsh M.P., LaForge B.E. Quantum Dot Superlattice Thermoelectric Materials and Devices. Science. 2002. V. 297. P. 2229- 2232.

8. Ventkatasubramanian R., Siivola E., Colpitts T., O'Quinn B. Thin-film thermoelectric devices with high roomtemperature figures of merit // Nature. 2001. V. 413 (6856). P. 597- 602.

9. Snyder G.J., Toberer E.S. Complex thermoelectric materials // Nature Materials. 2008.V.7. P.105- 114.

10. Sootsman J. R., Xhung D. Y., Kanatzidis M.G. New and Old Concepts in Thermoelectric Materials. Angew. Chem. Int. Ed. 2009. V.47. P.8616- 8639.

11. Сгибнев И.В., Копылов А.П. Термоэлектричество // Энергия: экономика, техника, экология. 2017. № 12. С.31- 36.

12. Булат Л.П., Пшенай-Северин Д.А., Драбкин И.А., Каратаев В.В., Освенский В.Б., Пархоменко Ю.Н., Бланк В.Д., Пивоваров Г.И., Бублик В.Т., Табачкова Н.Ю. Механизмы увеличения термоэлектрической эффективности в объемных наноструктурных поликристаллов // Термоэлектричество. 2011. № 1. C.14-19.

13. Коржуев М.А., Свечникова Т.Е. Термодинамические ограничения полезной мощности автомобильных термоэлектрических генераторов и перспективы их использования на транспорте // Термоэлектричество. 2013. №3. С.58- 75.

14. Harman T.C., Honig J..M.. Thermoelectric and Thermomagnetic effects and applications. N.Y.: Mc-Grow Hill. 1967. 378 p.

15. Авилов Е. С., Коржуев М. А., Кретова М. А., Михайлова А. Б. Термоэлектрическая добротность и магнитотворная способность ―естественных‖ наноструктур PbBi2(Te1xSex)4+δ и PbBi4(Te1-xSex)7+δ // Перспективные материалы. 2015. № 12. С.15-26.

16. Коржуев М.А., Катин И.В., Кретова М.А., Авилов Е.С. Особенности зонной структуры слоистых кристаллов семейства [(Ge, Sn, Pb)(Te, Se)] m [(Bi, Sb)2(Te,Se)3] n (m, n= 0,1, 2…). // Термоэлектрики и их применения. СПб.: Изд-во ВВМ. 2017. С.57-63.

17. Korzhuev M. A., Avilov E. S., Nichezina I. Yu. Nonstandard Harman response at the separate measurement of stages of multicascade thermoelectric modules // JEMS. 2011. V.40. №5. P. 733- 737.

18. Коржуев М.А. Термоэлектрические наноструктуры. За и против // Термоэлектричество. 2013. №5. С.11- 24.

19. Киселева Н.Н., Дударев В.А., Коржуев М.А. База данных по ширине запрещенной зоны неорганических веществ и материалов // Материаловедение. 2015. №7. С.3- 8.

20. Кретова М.А., Коржуев М.А. Оценка ширины запрещенной зоны ряда новых термоэлектрических материалов // ФТП. 2017. Т.51. №7. C. 940- 943.

21. Кретова М.А., Коржуев М.А., Авилов Е.С. Электрохимические исследования процессов легирования медью слоистых кристаллов семейства [(Ge, Sn, Pb)(Te, Se)] m [(Bi, Sb)2(Te,Se)3] n (m, n= 0, 1, 2…).// ФТП. 2017. Т.51. №7. C. 937 -939.

22. Korzhuev M. A., Katin I.V. Diagnostics of the phase ―phonon glas – electron crystals‖ (PGEC) in thermoelectric materials // Physics, chemistry and application of nanostructures. New Jersey - London: Word Scientific. 2015. P. 107-110.

23. Коржуев М.А., Катин И.В. Вырождение фазы «фононное стекло-электронный кристалл (ФСЭК) в слоистых кристаллах семейства [(Ge, Sn, Pb)(Te, Se)] m [(Bi, Sb)2(Te,Se)3] n (m, n= 0, 1, 2…) // Термоэлектрики и их применения. СПб.: Изд-во ВВМ. 2017. С.134- 139.

24. Коржуев М.А., Катин И.В., Кретова М.А., Авилов Е.С. Об устойчивости «искусственных» и «естественных» наноструктур термоэлектрических материалов на основе Bi2Te3. // Термоэлектрики и их применения. СПб.: Изд-во ВВМ. 2017. С.51- 56.

25. Коржуев М.А., Михайлова А.Б., Кретова М.А., Авилов Е.С. Анализ кристаллической структуры сплавов семейства [(Ge, Sn, Pb)(Te, Se)] m [(Bi, Sb)2(Te,Se)3] n (m, n= 0, 1, 2…) в рамках теории плотнейших шаровых упаковок // ФТП. 2017. Т.51. №8. C. 1011- 1013.

26. Коржуев М.А., Катин И.В., Кретова М.А., Авилов Е.С. Термоэлектрические свойства и магнитотворная способность термопар на основе «естественных» наноструктур - слоистых кристаллов семейства [(Ge, Sn, Pb)(Te, Se)]m [(Bi, Sb)2(Te,Se)3]n (m, n= 0, 1, 2…). // Термоэлектрики и их применения. СПб.: Изд-во ВВМ. 2017. С.146-151

27. Ленц Э.Х. Избранные труды. М.: Изд-во АН СССР. 1950. С.361-449.

28. Коржуев М.А. Правило Ленца для термоэлектрических преобразователей энергии, работающих в режиме максимальной мощности» // Термоэлектрики и их применения. СПб: ПИЯФ. 2015. C.447- 452.

29. Коржуев М.А. Использование правила Ленца для экспресс- расчетов тепловых и электрических цепей термоэлектрических модулей // Термоэлектрики и их применения.. СПб.: Изд-во ВВМ. 2017. С.226-231.