Группа ученых из Сколтеха, Университета имени Давида Бен-Гуриона в Негеве, Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН и других научных организаций изучили влияние различных видов дефектов на механическое поведение термоматериала на основе теллурида свинца (PbTe). Вещество широко применяется в качестве термоэлектрика, обладает высокой эффективностью преобразования тепла в электричество, но одной из ключевых проблем остается его повышенная хрупкость, что существенно ограничивает практическое применение.
Результаты опубликованы в Journal of Materials Chemistry A. В теллуриде свинца встречается три основных типа дефектов: замещения атомов, переход одного элемента на позицию другого и образование пустот (вакансий) при отсутствии в структуре отдельных атомов теллура или свинца. В первом случае атомы свинца или теллура случайным образом замещаются на другие элементы (например, натрий или висмут). Цель таких замен — изменить электрические свойства материала, чтобы повысить эффективность работы устройства. Однако такая замена влияет еще и на механическую прочность материала.
Когда новый атом отличается от старого количеством электронов, то возникает избыток или недостаток электронов, что влияет на способность материала пропускать электрический ток. Таким образом, возникают два возможных варианта проводимости: n-типа, когда преобладают свободные электроны, и p-типа, когда доминируют положительно заряженные носители заряда — дырки.
«Теллурид свинца — очень перспективный материал, но проблема заключается в том, что для электроники лучшим является p-тип, а его механические свойства хуже. Наша задача — найти способ улучшить эти свойства p-допированного теллурида свинца. В статье мы показали, как на это можно воздействовать внутренними дефектами материала. Такой подход открывает перспективы для разработки эффективных термоэлектриков нового поколения, сочетающих высокую эффективность преобразования энергии с улучшенными эксплуатационными характеристиками», — прокомментировал первый автор работы Илья Чепкасов, старший научный сотрудник Проектного центра по энергопереходу Сколтеха.
Авторы изучили механизмы изменения механических характеристик материала путем введения специфических дефектов, включая различные виды заместителей, вакансии и междоузельные включения. Авторы использовали комплекс современных методов теоретического моделирования, включающих расчеты с использованием теории функционала плотности, методику анализа химического связывания методом Crystal Orbital Hamilton Populations (COHP), а также компьютерные симуляции деформации с применением моделей взаимодействия между атомами на основе глубокого обучения.
«Наши расчеты показывают значительное увеличение хрупкости материала, легированного натрием (p-тип), при наличии вакансий теллура, которые являются внутренними дефектами в теллуриде свинца. Аналогичная ситуация наблюдается при совместном присутствии междоузельных включений серебра и меди (n-тип) совместно с вакансиями свинца», — поделился результатами профессор Проектного центра по энергопереходу Сколтеха Александр Квашнин, соавтор работы.
Ключевым фактором, влияющим на хрупкость и пластичность легированного теллурида свинца с разными типами дефектов, является избыток или недостаток электронной плотности на химических связях внутри PbTe. Симуляции с использованием нейросетевых моделей глубокого обучения выявили оптимальные механизмы настройки, направленные на улучшение механических свойств легированного материала. Так, материал, легированный натрием, можно сделать более пластичным с помощью добавления вакансий свинца и замещения части свинца на теллур.
Результаты вносят важный вклад в разработку высокопроизводительных термоэлектрических генераторов на основе теллурида свинца и направлены на разрешение его основного ограничения — повышенной механической хрупкости.