Новые подходы к созданию термоэлектрических материалов на основе соединений со свойствами фононного стекла и электронного кристаллаНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2013 г.-31 декабря 2013 г. Новые подходы к созданию термоэлектрических материалов на основе соединений со свойствами фононного стекла и электронного кристалла
Результаты этапа: Проект направлен на развитие фундаментальных исследований в области создания термоэлектрических материалов с использованием новых подходов фононной и электронной инженерии. За отчетный период работы велись по трем основным направлениям. Исследован структурный переход полуклатрат-клатрат в системе Ge-P-Te и показано, что он включает стадию образования несоразмерной кристаллической структуры. Показано, что переход может быть осуществлен как при повышении температуры, так и при приложении давления. Разработаны методы получения компактных образцов (плотность не менее 95% от теоретической) клатрата. Установлено, что получаемый клатрат демонстрирует приемлемые значения термоэлектрической добротности в среднетемпературном диапазоне. Второй тип объектов составляют впервые синтезированные нами сложные арсениды Второй тип объектов составляют впервые синтезированные нами сложные арсениды Eu7Cu44As23 и Sr7Cu44As23, кристаллизующиеся в гранецентрированной кубической ячейке. Их кристаллическая структура характеризуется клатратоподобным каркасом, пустоты которого заполнены упорядоченно чередующимися атомами европия(стронция) и мышьяка. Анализ особенностей кристалличекой и электронной структуры показал, что соединения такого типа должны обладать металлической проводимостью, но низкой теплопроводностью, поэтому могут быть использованы для создания термоэлектрических материалов. Нами установлено, что европиевое производное упорядочивается ферромагнитно при Т = 17.5 К, а также показано, что термоэлектрическая добротность соединений невысока ввиду неожиданно низкой электропроводности. Гомо- и гетеровалентные замещения предприняты для выявления геометрической и зарядовой устойчивости структурного типа и повышения термоэлектрической добротности соединений. Также исследованы некоторые слоистые субхалькогениды железа, характеризующиеся сочетанием высокой электропроводности с локализацией магнитных состояний высокой плотности вблизи уровня Ферми, что с обной стороны позволило добиться низких значений теплопроводности, но с другой – создало препятствие на пути оптимизации коэффициента Зеебека. Установлено, что соединения этого семейства имеют перспективы не в качестве термоэлектриков, а как магнетокалорические материалы. По результатам работы в течение двух лет опубликованы 5 статей и тезисы 6 докладов.
2 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Новые подходы к созданию термоэлектрических материалов на основе соединений со свойствами фононного стекла и электронного кристалла
Результаты этапа: Настоящий проект направлен на развитие фундаментальных исследований в области создания термоэлектрических материалов с использованием новых подходов фононной и электронной инженерии. Мы предлагаем два оригинальных направления исследований, ориентированных на разработку термоэлектрических материалов нового поколения. Первое направление основано на контроле меры беспорядка в соединениях, которые ввиду особенностей кристаллического и электронного строения могут сами по себе удовлетворять требованиям концепции «фононное стекло – электронный кристалл». Мы будем синтезировать и подробно исследовать новые соединения на основе германия, обладающие сложной кристаллической структурой клатратного типа, в которой эффективный транспорт носителей заряда будет оптимизирован в результате направленных замещений в ковалентно связанном каркасе, а транспорт тепла будет контролироваться сочетанием двух методов. Во-первых, наличие клатратных фрагментов в кристаллической структуре будет обеспечивать резонансное рассеяние фонов на псевдо-локализованных колебаниях гостевых атомов, а во-вторых, сложность и объемность кристаллической структуры и наличие неупорядоченных фрагментов будут обеспечивать дополнительные условия для снижения групповой скорости фононов. В основе второго направления исследований лежит идея о том, что соединение с металлической проводимостью может демонстрировать высокие значения коэффициента Зеебека в сочетании с хорошей электропроводностью при условии локализации магнитных состояний с высокой плотностью вблизи уровня Ферми. В нашем проекте эта идея будет использована при разработке соединений типа FexETe2 (2
3 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Новые подходы к созданию термоэлектрических материалов на основе соединений со свойствами фононного стекла и электронного кристалла
Результаты этапа: 1) Синтезированы соединения, полученные в результате гомо- и гетеровалентного замещения в кристаллической структуре Eu7Cu44As23. Установлены пределы замещения европия на натрий, кальций и церий, мышьяка - на сурьму, меди - на никель и кобальт. Выявлены особенности кристаллической структуры и для избранных образцов исследованы магнитные свойства, которые показали отсутствие взаимодействия 4f и 3d моментов в данных фазах. 2) Синтезированы клатраты в системе Sn-Cu-As-Br, установлены их составы и кристаллическая структура и получены сведения об их термоэлектрических своствах. 3) Установлены особенности электронного строения катионных клатратов на основе олова комбинацией методов квантовохимических расчетов и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. На основании полученных результатов и ранее исследованных термоэлектрических свойств сформулированы общие закономерности о взаимосвязи состава, кристаллической и электронной структуры и термоэлектрических свойств катионных клатратов.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".