Создание высокоэффективных объемных наноструктурированных термоэлектрических материалов для интервала рабочих температур от 300 до 1200 К

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-19-00312

НазваниеСоздание высокоэффективных объемных наноструктурированных термоэлектрических материалов для интервала рабочих температур от 300 до 1200 К

Руководитель Шерченков Алексей Анатольевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" , г Москва

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-305 - Физические аспекты получения, преобразования и передачи электроэнергии

Ключевые слова Термоэлектричество, термоэлектрические материалы, термоэлектрическая добротность, эффект Пельтье, эффект Зеебека, термоэлектрические устройства, термоэлектрические генераторы, многосекционные термоэлементы, наноструктурированные материалы, тех-нология термоэлементов, тепло- и электрофизические параметры

Код ГРНТИ47.03.05, 53.41.39, 47.13.11

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Широкое практическое применение термоэлектрических устройств (ТЭУ) сдерживается их низкой эффективностью, что связано с недостаточной термоэлектрической эффективностью полупроводниковых материалов, используемых для их изготовления. Традиционный метод повышения добротности термоэлектрических материалов за счет использования твердых растворов практически полностью себя исчерпал. Новые возможности в поиске перспективных термоэлектрических материалов (ТЭМ) открывают последние достижения нанотехнологии в области термоэлектричества. Однако, несмотря на впечатляющие успехи, новые перспективные наноструктурированные ТЭМ на данный момент далеки от практической реализации в термоэлектрических устройствах. Связано это с недостаточной изученностью свойств наноструктурированных ТЭМ, их стабильности и взаимосвязи с методами получения. На данный момент отсутствует глубокое понимание механизмов теплопроводности, переноса и рассеяния носителей в этих сложных материалах, а также влияния на них и стабильность свойств особенностей наноструктуры и границ раздела между наночастицами. Это не позволило до настоящего времени разработать управляемые процессы получения высокоэффективных наноструктурированных ТЭМ с воспроизводимыми свойствами, что необходимо для практического использования этих материалов в высокоэффективных ТЭУ. В связи с этим, разработка технологии формирования высокоэффективных наноструктурированных термоэлектрических материалов, пригодных для практического применения в широком интервале рабочих температур, является актуальной научной задачей, имеющей важное практическое значение для развития современного термоэлектричества. В результате выполнения проекта будет разработана технология формирования высокоэффективных объемных наноструктурированных термоэлектрических материалов, пригодных для практического применения в широком интервале рабочих температур от комнатной до 1200 К. На основании комплексного, научно-обоснованного подхода к разработке технологии формирования высокоэффективных объемных наноструктурированных ТЭМ, пригодных для практического применения в широком интервале рабочих температур, в проекте будут получены следующие результаты, обладающие научной новизной. 1. Будет проведено комплексное исследование свойств объемных термоэлектрических материалов на основе халькогенидов висмута, сурьмы, свинца, германия, твердых растворов Si-Ge для низких (300-400 К), средних (400-900 К) и высоких (900-1200 К) интервалов рабочих температур, полученных в результате синтеза методом прямого сплавления с последующей зонной плавкой, экструзией, горячим прессованием и искровым плазменным спеканием синтезированных ТЭМ. 2. Будет проведено комплексное исследование свойств объемных наноструктурированных термоэлектрических материалов для низких (300-400 К), средних (400-900 К) и высоких (900-1200 К) интервалов рабочих температур в зависимости от размеров измельченного порошка полученных объемных термоэлектрических материалов и режимов получения объемных наноструктурированных ТЭМ. 3. Будут установлены механизмы тепло- и электропереноса для каждого из разработанных объемных наноструктурированных ТЭМ в зависимости от размеров измельченного порошка, из которого получены объемные термоэлектрические материалы и режимов получения объемных наноструктурированных ТЭМ. 4. Впервые будет установлено влияние особенностей наноструктуры и границ раздела между наночастицами на механизмы теплопроводности и переноса носителей заряда для каждого из разработанных объемных наноструктурированных ТЭМ. 5. По результатам моделирования полученных температурных зависимостей электропроводности, термоЭДС будут установлены параметры, определяющие механизмы переноса носителей заряда, для каждого из разработанных объемных наноструктурированных ТЭМ. 6. Впервые будут исследованы температурные зависимости термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) для каждого из разработанных объемных наноструктурированных ТЭМ и влияние на них размеров измельченного порошка полученных объемных термоэлектрических материалов и режимов получения объемных наноструктурированных ТЭМ. 7. Впервые будут исследованы механические свойства объемных наноструктурированных ТЭМ и влияние на них размеров измельченного порошка полученных объемных термоэлектрических материалов и режимов получения объемных наноструктурированных ТЭМ. 8. Впервые будет проведено исследование термической стабильности объемных наноструктурированных ТЭМ. 9. Комплексные исследования свойств классических и объемных наноструктурированных ТЭМ позволит изучить взаимосвязь состав-структура-свойство для разработанных объемных наноструктурированных ТЭМ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Волощук И., Терехов Д., Штерн М., Шерченков А. Формирование термоэлектрических ветвей для гибких термоэлектрических генераторов методом трафаретной печати XVII межгосударственная конференция «Термоэлектрики и их применения». Тезисы докладов., C. 53. (год публикации - 2021)

2. Пепеляев Д., Терехов Д., Якубов А., Штерн М., Шерченков А. The formation of electrodes for thin films of telluride containing compounds for thin films thermoelectric generators XVII межгосударственная конференция «Термоэлектрики и их применения». Тезисы докладов., С. 52. (год публикации - 2021)

3. Терехов Д., Пепеляев Д., Якубов А., Шерченков А. Thin film thermoelectric generator on the basis of Ge2Sb2Te5 and Bi2Te2,8Se0,2 thin films XVII межгосударственная конференция «Термоэлектрики и их применения». Тезисы докладов., С. 10. (год публикации - 2021)

4. Штерн Ю., Штерн М., Шерченков А., Рогачев М., Пепеляев Д., Бабич А. Investigation of the thermal properties for n-type thermoelectric materials on the basis of Bi-Se-Te system Proceedings of International Confernce "Micro- and Nanoelectronics - 2021" (ICMNE-2021): Book of abstracts, P. 173. (год публикации - 2021)
10.29003/m2433.ICMNE-2021

5. Якубов А., Пепеляев Д., Мурашко Д., Герасименко А., Терехов Д., Волощук И., Штерн М., Шерченков А. Mechanical properties of p-type thermoelectric materials on the basis of Bi-Sb-Te system determined by nanoindentation Proceedings of International Confernce "Micro- and Nanoelectronics - 2021" (ICMNE-2021): Book of abstracts, P. 172. (год публикации - 2021)
10.29003/m2433.ICMNE-2021

6. Шерченков А.А., Штерн Ю.И., Штерн М.Ю., Рогачев М.С., Пепеляев Д.В., Бабич А.В. Исследование термических свойств термоэлектрических материалов p-типа на основе системы Bi-Sb-Te Перспективные технологии и материалы. Материалы международной научно-практической конференции., С. 103-105. (год публикации - 2021)

7. Шерченков А.А., Якубов А.О., Штерн Ю.И., Штерн М.Ю., Рогачев М.С., Пепеляев Д.В., Мурашко Д.Т., Герасименко А.Ю., Волощук И.А. Исследование механических свойств термоэлектрических материалов n-типа на основе системы Bi-Te-Se Перспективные технологии и материалы. Материалы международной научно-практической конференции., С. 106-108. (год публикации - 2021)

8. Пепеляев Д., Якубов А., Шерченков А., Штерн М., Штерн Ю., Рогачев М. Mechanical properties of Bi2Te2.8Se0.2 and Bi0.5Sb1.5Te3 obtained by SPS International Conference on Advances in Environment Research March 25 th, 2023, Spain, Madrid., pp. 59-64. (год публикации - 2023)
10.54092/9781447775300_59

9. Штерн М.Ю., Козлов А.О., Штерн Ю.И., Рогачев М.С., Корчагин Е.П., Мустафоев Б.Р., Дедкова А.А. Получение и исследование омических контактов с высокой адгезией к термоэлементам Физика и техника полупроводников, Т. 55, № 12. - С. 1097-1104. (год публикации - 2021)
10.21883/FTP.2021.12.51689.01

10. Пепеляев Д., Штерн М., Рогачев М., Штерн Ю., Шерченков А. Investigation of the Thermoelectric Figure of Merit of Materials from Multisection Thermoelectric Generators International Euroasia Congress on Scientific Researches and Recent Trends 9. Abstract Book, P. 480-481. (год публикации - 2022)

11. Волощук И.А., Терехов Д.Ю., Бабич А.В., Якубов А.О., Шерченков А.А. Technology for the fabrication of thermoelectric legs by screen printing Sixth Asian School-Conference on Physics and Technology of Nanostructured Materials: Proceedings., P. 191-192. (год публикации - 2022)

12. Штерн М. Получение и исследование нанодисперсных порошков термоэлектрических материалов Известия вузов. Материалы электронной техники, Т. 25, № 3. C. 188—201. (год публикации - 2022)
10.17073/1609-3577-2022-3-188-201

13. Волощук И., Бабич А., Переверзева С., Терехов Д., Шерченков А. Flexible thermoelectric generator fabricatedby a screen printing method from suspensions based on Bi2Te2.8Se0.2 and Bi0.5Sb1.5Те3 Journal of Central South University, J. Cent. South Univ. 30, 2906–2918 (2023) (год публикации - 2022)
10.1007/s11771-023-5257-0

14. Волощук И., Бабич А., Рогачев М., Глебова Д., Божедомова А., Бабич Т. Thermal and Thermoelectric Properties of Bi-Te-Sb and Bi-Te-Se Doped by Carbon Additive 2023 Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (2023 ElConRus) (год публикации - 2023)

15. Пепеляев Д.В., Бабич А.В., Штерн М.Ю., Рогачев М.С., Штерн Ю.И., Шерченков А.А., Бабич Т.А. Investigation of thermoelectric and thermal properties of nanostructured thermoelectric materials based on BiSbTe Тезисы. XVIII Межгосударственная Конференция ТЕРМОЭЛЕКТРИКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ – 2023 (ISCTA 2023), Страница 3 (год публикации - 2023)

16. Пепеляев Д.В., Терехов Д.Ю., Штерн М.Ю., Рогачев М.С., Штерн Ю.И., Шерченков А.А. Development of method and modeling of thermal expansion of thermoelement legs Тезисы. XVIII Межгосударственная Конференция ТЕРМОЭЛЕКТРИКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ – 2023 (ISCTA 2023), Страница 53 (год публикации - 2023)

17. Бабич А.В., Пепеляев Д.В., Штерн М.Ю., Штерн Ю.И., Рогачев М.С., Бабич Т.А., Глебова Д.Д., Шерченков А.А. Исследование термиченских свойств и стабильности характеристик среднетемпературных наноструктурированных материалов на основе PbTe и GeTe Аморфные и микрокристаллические полупроводники: сборник трудов Международной конференции, С. 187-188 (год публикации - 2023)

18. Шерченков А., Боргардт Н., Штерн М., Зайцева Ю., Штерн Ю., Рогачев М., Сазонов В., Якубов А., Пепеляев Д. The role of nanostructuring strategies in PbTe on enhancing thermoelectric efficiency Materials Today Energy, 37 (2023) 101416 (год публикации - 2023)
10.1016/j.mtener.2023.101416

19. Штерн М., Шерченков А., Штерн Ю., Боргардт Н., Рогачев М., Якубов А., Бабич А., Пепеляев Д., Волощук И., Зайцева Ю, Переверзева С., Герасименко А., Потапов Д.,, Мурашко Д. Mechanical Properties and Thermal Stability of Nanostructured Thermoelectric Materials on the Basis of PbTe and GeTe Journal of Alloys and Compounds, 2023, V.946, p.169364 (год публикации - 2023)
10.1016/j.jallcom.2023.169364

20. Штерн Ю., Шерченков А., Штерн М., Рогачев М., Пепеляев Д. Challenges and perspective recent trends of enhancing the efficiency of thermoelectric materials on the basis of PbTe Materials Today Communications, 37 (2023) 107083 (год публикации - 2023)
10.1016/j.mtcomm.2023.107083

21. Штерн М., Шерченков А., Штерн Ю., Рогачев М., Корчагин Е. Preparation of the Thermoelement Surfaces and Investigation of Ohmic Film Contacts Formed on Them by Different Methods Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques, 2023, No. 11, pp. 33–43. (год публикации - 2023)
10.1134/S1027451023060186

22. Д.В. Пепеляев, Е.П. Корчагин, М.Ю. Штерн, М.С Рогачев, Д.Ю. Терехов, С.Б. Бурзин, Ю.И.Штерн, А.А. Шерченков Исследование концентрации и подвижности носителей заряда в наноструктурированных термоэлектрических материалах на основе PbTe и GeTe. Известия высших учебных заведений. Электроника (год публикации - 2024)

23. Бабич А.В., Волощук И.А., Шерченков А.А., Переверзева С.Ю., Глебова Д.Д., Бабич Т.А. Thermal Stability of Thick Films Based on Low-Temperature Thermoelectric Materials of Bi-Te-Se and Bi-Te-Sb Systems Modified with Copper-Oxide Additives Semiconductors, 2023, Vol. 28, No. 3, pp. 281–286. (год публикации - 2023)
10.1134/S1063782623010013

Публикации