Ещё одна история о том, как контроль примесей и молекулярной структуры вещества решают ключевые задачи и делают уже существующие технологии ещё более совершенными. В этот раз речь пойдёт о термоэлектрических материалах и о работе российских и израильских учёных. Нечасто можно среди научных новостей прочитать про Сколтех, например.
Термоэлектрические материалы - это класс полупроводников, способных преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Их уже используют в различных областях, включая производство электроэнергии, охлаждение и отопление. Однако поиск термоэлектрических материалов с высокой эффективностью и длительным сроком службы остается сложной задачей.
Ученые из Сколтеха, Института биохимической физики имени Эмануэля РАН и других ведущих научных организаций России и Израиля провели исследование, результаты которого могут повысить надёжность и срок службы теллурида свинца. Это широко применяемый термоэлектрической полупроводник, в частности, его используют на газопроводах Ямала, где он обеспечивает работу датчиков вдали от линий электропередач. Небольшая часть газа отводится и сжигается в специальных трубках, и это тепло горящего газа преобразуется в электричество, необходимое для работы датчиков. Получается автономная система, которая сильно зависит от надёжности подобных устройств. Однако, теллурид свинца имеет существенный недостаток: он может разрушаться при контакте с материалами, имеющими другой коэффициент теплового расширения. Полагаю, что ехать непонятно куда среди ямальской зимы ради замены термоэлектрического источника бывает затруднительно, поэтому проблема достаточно актуальна.
Ученые исследовали влияние легирования на механические свойства теллурида свинца. Легирование - это и есть часть того самого контроля примесей, и представляет собой процесс дозированного внедрения примесей в кристаллическую структуру полупроводника для изменения его электрических и термоэлектрических свойств. В данном исследовании были использованы два основных типа легирования: легирование N-типа и легирование P-типа. С точки зрения электрических свойств, первый тип легирования меняет свойство полупроводника таким образом, что основным носителем заряда становится электрон, а второй - делает носителем заряда положительные квазичастицы, называемые дырками. Оказалось, что разный тип легирования полупроводников может не только менять электрические, но и механические свойства термоэлектрических полупроводников, что и выяснили учёные.
Легирование N-типа привело к увеличению твердости и прочности материала, в то время как легирование P-типа привело к повышению пластичности. Эти результаты свидетельствуют о том, что легирование может быть использовано для повышения долговечности термоэлектрических устройств на основе теллурида свинца. Иными словами, можно изменить свойства термоэлектрика таким образом, чтобы он не разрушался от разницы температурных деформаций между термоэлектриком и корпусом, например. Или можно изготовить многослойный композит из полупроводников с разным легированием, чтобы смягчить разницу деформаций. В конце концов, сам факт того, что при легировании полупроводников заметно меняются не только электрические, но и механические свойства, является интересным открытием, полезным в других отраслях.
Источник:
Илья В. Чепкасов и др., Природа хрупкого поведения легированных термоэлектрических материалов на основе PbTe (Ilya V. Chepkasov et al, Origin of brittle behavior of doped PbTe-based thermoelectric materials), Applied Physics Letters (2024). DOI: 10.1063/5.0185002
-------------------------------------
Вы можете поддержать проект подпиской на канал, реакциями и комментариями, а также подписавшись на наши страницы на других площадках и на сервисе поддержки авторов Бусти. Ссылки найдёте в описании канала. Заранее спасибо!
