Ультра

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 10045 (2022) Цитировать эту статью

1761 Доступов

4 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Высококристаллические соединения на основе Bi2Te3 с малым размером зерен были успешно синтезированы методом мгновенного спекания (FS) за 10 с при комнатной температуре и подходящей плотности тока с использованием порошков Bi, Te и Se. Мгновенно генерируемое локальное джоулево тепло на границах зерен считается основной причиной быстрого завершения химической реакции и кристаллизации. Комбинируя метод синтеза ФС с искровым плазменным спеканием (ИПС), удалось получить объемные материалы на основе Bi2Te3 с высокой относительной плотностью за 10 мин. Соответствующее увеличение температуры спекания и времени выдержки в процессе SPS может снизить концентрацию носителей и фононную теплопроводность, одновременно увеличивая подвижность носителей. Следовательно, образец, приготовленный при 753 К в течение 3 мин, показывает значение ZT на 20% выше, чем образец, приготовленный при 723 К в течение 3 мин. По сравнению с методами обычной зонной плавки или порошковой металлургии, требующими нескольких часов сложной операции, этот метод экономит время и имеет низкую стоимость.

В условиях все более серьезного энергетического и экологического кризиса изучение ресурсов чистой энергии и технологий преобразования зеленой энергии становится актуальным и обязательным для исследователей в смежных областях1. Термоэлектрический материал — это своего рода функциональный материал, который может осуществлять прямое преобразование тепла и электричества с помощью эффекта Зеебека и эффекта Пельтье2. Благодаря чистому полупроводниковому режиму работы, высокой стабильности и длительному сроку службы термоэлектрическая технология дает возможность собирать полезную электроэнергию из отходящего тепла или реализовывать охлаждение на месте3,4,5. Эффективность преобразования термоэлектрического материала обычно оценивают по безразмерному показателю качества ZT, который можно выразить как ZT = S2σT/κ, где S – коэффициент Зеебека, σ – электропроводность, κ – теплопроводность (в том числе электронная теплопроводность). проводимость κe, решеточную теплопроводность κl и биполярную теплопроводность κb), а T — абсолютная температура6. Следовательно, идеальному термоэлектрическому материалу должны одновременно принадлежать высокая электропроводность, большой коэффициент Зеебека и низкая теплопроводность7. Теллурид висмута (Bi2Te3) представляет собой разновидность полупроводникового материала с узкой запрещенной зоной, который имеет относительно высокую электропроводность, большой коэффициент Зеебека и низкую теплопроводность в диапазоне 300–500 К8. До сих пор теллурид висмута и его сплавы с теллуридом сурьмы или селенидом висмута были наиболее развитыми системами термоэлектрических материалов, которые можно использовать при температуре, близкой к комнатной9,10. На основе теллурида висмута и его сплавов успешно разработаны некоторые коммерческие термоэлектрические устройства и модули для генерации электроэнергии и твердотельного охлаждения в этом диапазоне температур11.

В настоящее время промышленные термоэлектрические материалы на основе теллурида висмута производятся, как правило, методом зонной плавки (ЗМ). Хотя технология ЗМ удобна, процесс ее изготовления достаточно трудоемок и энергозатратен12. Длительный отжиг при высокой температуре также может привести к отклонению состава, что приведет к ухудшению термоэлектрических характеристик. Более того, изготовленные изделия имеют высокую ориентацию и могут легко раскалываться вдоль базовой плоскости, что приводит к ухудшению механических свойств и ограничению длительного использования13. Поэтому в последние годы широко исследовались методы порошковой металлургии в сочетании с передовыми методами спекания для изготовления термоэлектрических материалов на основе поликристаллического теллурида висмута с высокими механическими и термоэлектрическими свойствами. Например, высокоэнергетическая шаровая мельница, прядение расплава и различные мокрые химические методы были успешно разработаны для синтеза соединений на основе Bi2Te3 с небольшим размером зерна и модулированной микроструктурой14,15,16,17. Путем сочетания этих методов синтеза с методами горячего прессования (HP) или искрового плазменного спекания (SPS) в сыпучих материалах на основе теллурида висмута одновременно были достигнуты относительно прочные механические свойства и высокие термоэлектрические характеристики. Однако эти методы синтеза по-прежнему отнимают много времени и энергии, а продукты могут быть окислены или загрязнены средой и органическими примесями в процессе синтеза, что приводит к ухудшению термоэлектрических характеристик18. Поэтому представляет большой интерес разработка новых методов изготовления высокоэффективных термоэлектрических материалов на основе поликристаллического теллурида висмута с низкой стоимостью, высокой эффективностью и простым технологическим процессом.