Исследование взаимодействия элементарных возбуждений электронной и ионной систем в полупроводниковых материалах, которые могут быть изготовлены из природного и техногенного минерального сырья Забайкальского края, и вовлечение их в высокотехнологические производственные процессы термоэлектрического приборостроения

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 22-22-20055

НазваниеИсследование взаимодействия элементарных возбуждений электронной и ионной систем в полупроводниковых материалах, которые могут быть изготовлены из природного и техногенного минерального сырья Забайкальского края, и вовлечение их в высокотехнологические производственные процессы термоэлектрического приборостроения

Руководитель Степанов Николай Петрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Забайкальский государственный университет" , Забайкальский край

Конкурс №65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-202 - Полупроводники

Ключевые слова Полупроводники, полуметаллы, сурьма, висмут, минералы, сплавы, твердые растворы, термоэлектрические материалы, электрон-плазмонное взаимодействие, оптические свойства одействие,

Код ГРНТИ29.19.24

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на исследование взаимодействия элементарных возбуждений электронной и ионной систем в полупроводниковых материалах, которые могут быть изготовлены из природного и техногенного минерального сырья Забайкальского края, и вовлечение их в высокотехнологические производственные процессы термоэлектрического приборостроения. С фундаментальной точки зрения актуальность решения обозначенной проблемы связана с необходимостью проверки результатов ряда теоретических работ. Теоретически показана возможность спаривания свободных носителей заряда за счет обмена виртуальными плазмонами с квазиаккустическим законом дисперсии. При этом вклад электрон-плазмонного взаимодействия в массовый оператор, входящий в выражение для описания спектра электронов в приближении самосогласованного поля, имеет сильную пороговую особенность. Появление полюсов у массового оператора (нулей у функции Грина) может быть интерпретировано как возможность появления связанных состояний электронов и плазмонов, аналогичных куперовскому. Плазмонный механизм высокотемпературной сверхпроводимости теоретически рассматривался в переходных металлах, многодолинных полупроводниках, полуметаллах и слоистых полупроводниковых структурах. Необходимо отметить, что к таким материалам относятся и слоистые кристаллы теллурида висмута и сурьмы. В связи с этим, экспериментальные работы направленные на изучение электрон-плазмонного взаимодействия в теллуридах и селенидах висмута и сурьмы, являются значимыми и актуальными как с фундаментальной, так и с практической точек зрения. Новизна данной части исследования состоит и в том, что предполагается комплексное экспериментальное изучение состояния электронной системы кристаллов висмута, твердых растворов теллурида и селенидов висмута и сурьмы, с интенсивным электрон-плазмонным взаимодействием, которые до этого не рассматривались под данным углом зрения. Научная новизна обусловлена и тем, что в ходе экспериментального исследования в теллуридов и селенидов висмута и сурьмы, а также кристаллов висмута, легированных акцепторной примесью, будут получены новые данные о закономерностях изменения оптических, магнитных, гальваномагнитных, электрических свойств, в зависимости от интенсивности электрон-плазмонного взаимодействия. Будут установлены составы и температуры, при которых электрон-плазмонное взаимодействие достигает максимальной интенсивности и произведено сопоставление полученных данных с предсказаниями теории. Актуальными являются исследования направленные и на изучение влияния электрон-плазмонного взаимодействия в материалах, в которых могут существовать тепловые плазмоны, на физические характеристики определяющие поведение электронной системы. Важно выявить закономерности поведения полуметаллов и полупроводников, управляя энергией плазмона в которых можно запускать процессы в электронной системе связанные с изменением интенсивности электрон-плазмонного взаимодействия, что является значимым и актуальным для новых разработок в электронике, оптике, плазмонике. Научная значимость и актуальность исследования обусловлена также и тем, что в ряде составов твердых растворах теллурида висмута и сурьмы, использующихся для изготовления термоэлектрических элементов, модулей и приборов на их основе, возможно существенное усиление интенсивного электрон-плазмонного взаимодействия. Имеющаяся информация, установленная в ходе предварительных исследований, позволяет утверждать, что наибольшим коэффициентом термоэлектрической эффективности обладают именно те составы твердых растворов теллурида висмута и сурьмы, в которых при низких температурах наблюдается интенсивное электрон-плазмонное взаимодействие. Используемые в промышленности материалы подобраны в результате многолетних опытов, без учета влияния такого рода процессов происходящих в их электронной системе. Данное обстоятельство обуславливает практическую составляющую актуальности предлагаемого проекта и обладает новизной. В связи с этим, актуальной является задача, контролируя интенсивность электрон-плазмоного взаимодействия изучить механизмы его влияния на физические, в том числе и термоэлектрические свойства, и таким образом выйти на детализацию механизмов его воздействия, на термоэлектрическую эффективность. Актуальным представляется и изучение эффекта возникновения перепада электрического напряжения, на концах равномерно нагреваемого образца, в котором существует градиент содержания примеси по длине. Первые работы были выполнены на сульфиде самария, однако в дальнейшем было обнаружено наличие такого эффекта и в ряде других полупроводниковых материалов. В настоящее время не сформировалось общепризнанное объяснение природы наблюдаемого эффекта. В связи с этим представляет интерес изучение данного эффекта, который получил в физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе название термовольтаического, установление его взаимосвязи с интенсивностью плазмон-фононного взаимодействия. Актуальность предлагаемого проекта связана и с необходимостью создания в Забайкальском крае высокотехнологичного наукоемкого производства, которое позволит перерабатывать минеральное сырье, содержащее такие полуметаллы как сурьма и висмут, имеющееся в больших количествах в регионе в продукцию полупроводниковой электроники. С этой же целью предполагается изучение термоэлектрических свойств природного полупроводникового минерала пирита электронного и дырочного типа проводимости, который в настоящее время идет в отвалы при разработке ряда месторождений полезных ископаемых в Забайкальском крае. Актуальным является исследование ферросилиция, получаемого из техногенного сырья – пиритового огарка в металлургическом цехе Приаргунского производственного горно-химического объединения (Росатом, Урановый дивизион, ППГХО), с целью изучения его термоэлектрических свойств, что актуально и для горнорудных предприятий Забайкальского края, заинтересованных в диверсификации производства и внедрении научных разработок. Создание производства термоэлектрических материалов может способствовать созданию рабочих мест для выпускников технических вузов региона, испытывающего серьезные демографические риски, и граничащего с Китаем. Это необходимо как для стимулирования развитие высшего образования, так и для снижения оттока высококвалифицированных кадров из Забайкальского края.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Степанов Н.П, Грабко Г.И. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИРОДНОГО ПИРИТА FеS2 P ‒ ТИПА ПРОВОДИМОСТИ В ИНТЕРВАЛЕ 295 - 635 К Письма в журнал технической физики, Том 48, выпуск 23, стр.26-29 (год публикации - 2022)
10.21883/PJTF.2022.23.53948.19347

2. Степанов Н.П., Грабко Г.И. ПРИРОДНЫЙ ПИРИТ N- И Р-ТИПА ПРОВОДИМОСТИ КАК ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ПРИРОДНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ Вестник Забайкальского государственного университета, Том 28, выпуск 9, стр 25 -32. (год публикации - 2022)
10.21209/2227924520222892532

3. Степанов Н.П., Грабко Г.И., Сидоркин В.В., Ваганов И.С. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ И УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЫРОЧНОГО ПИРИТА FеS2 В ИНТЕРВАЛЕ 298-500 К КУЛАГИНСКИЕ ЧТЕНИЯ: ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ. Материалы XXII Международной научно-практической конференции, Том 1, стр. 117 - 121 (год публикации - 2022)

4. Степанов Н.П., Леонов А.Б. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ТЕРМОЭДС ФЕРРОСИЛИЦИЯ В ДИАПАЗОНЕ 300 – 450 К КУЛАГИНСКИЕ ЧТЕНИЯ: ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ. Материалы XXII Международной научно-практической конференции, Т.1, стр. 113 - 116. (год публикации - 2022)

5. Степанов Н.П., Иванов М.С. Особенности в поведении температурных зависимостей магнитной восприимчивости кристаллов твердых растворов Bi2Te3-Sb2Te3 содержащих от 25 до 70 процентов теллурида сурьмы Физика и техника полупроводников, Том 56, Выпуск 12, Страницы 1103 - 1111 (год публикации - 2023)
10.21883/FTP.2022.12.54508.4243

6. Степанов Н.П., Грабко Г.И. Особенности в поведении удельного сопротивления природного пирита n – типа в области температур предшествующих наступлению собственной проводимости Письма в ЖТФ, Том 49, Выпуск 12, Страницы 10-12 (год публикации - 2023)
10.21883/PJTF.2023.12.55566.19459

7. Степанов Н.П., Грабко Г. И. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СЛОЯХ P b3O4 В ЗАВИСИМОСТИ ОТ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ Известия вузов. Физика, Том 66, Выпуск 6, Страницы 11- 20 (год публикации - 2023)
10.17223/00213411/66/6/2

8. Степанов Н.П. ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ КРИСТАЛЛА Bi0.6Sb1.4Te3 ПРИ СБЛИЖЕНИИ ЭНЕРГИЙ ПЛАЗМОНА И ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕХОДА Оптика и спектроскопия, Том 131, Выпуск 9, Страницы 1219 - 1223 (год публикации - 2023)
10.21883/OS.2023.09.56608.5264-23

9. Степанов Н.П. ЭЛЕКТРОН-ПЛАЗМОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В КРИСТАЛЛАХ Bi2Te3–Sb2Te3 Поверхность (год публикации - 2024)

10. Степанов Н.П., Грабко Г. И. Особенности отклика природного пирита на импульсное электрическое воздействие Вестник ЗабГУ, Том 29, выпуск 4, страницы 19 - 24. (год публикации - 2023)
10.2109/2227-9245-2023-29-4-19-24

11. Степанов Н.П. Влияние электрон-плазмонного взаимодействия на физические свойства материалов Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов. Материалы XXIII Международной научно-практической конференции. Часть 2., Часть 2, страницы 207 -210 (год публикации - 2023)

12. Степанов Н.П., Грабко Г. И. Временные зависимости электрического напряжения и удельного сопротивления природного пирита FeS2 Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов. Материалы XXIII Международной научно-практической конференции. Часть 1. с.178 -180, Часть 1, страницы 178 -180 (год публикации - 2023)

13. Степанов Н.П., Иванов М.С. Закономерности изменения температурных зависимостей холловской подвижности носителей заряда от состава монокристалла (Bi2-хSbх )Te3 (0 < х < 2) Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов. Материалы XXIII Международной научно-практической конференции. Часть 2., Часть 2, страницы 211 - 213 (год публикации - 2023)

14. Степанов Н.П., Кручинский М.А., Анисимов С.М. Термоэлектрические свойства природного пирита электронного и дырочного типа проводимости Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов. Материалы XXIII Международной научно-практической конференции. Часть 1., Часть 1, страницы 180 - 184 (год публикации - 2023)

15. Степанов Н.П., Плотников М.С., Рамзайцев И.А. Магнитные свойства природного пирита электронного и дырочного типа проводимости Кулагинские чтения: техника и технологии производственных процессов. Материалы XXIII Международной научно-практической конференции. Часть 1., Часть 1, страницы 184 - 187 (год публикации - 2023)

16. Степанов Н.П. Сближение энергий плазмона и электронного перехода в кристалле Bi0.6Sb1.4Te3 Физика и техника полупроводников (год публикации - 2023)

17. Степанов Н.П., Иванов М.С. ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ХОЛЛА В МОНОКРИСТАЛЛАХ (Bi2-хSbх)Te3 Физика конденсированных состояний: сб. тезисов III Международной конференции ИФТТ – Черноголовка, с. 18, Сборник тезисов С. 18. (год публикации - 2023)
10.26201/ISSP.2023/FKS-3.15

18. Степанов Н.П. ЭЛЕКТРОН-ПЛАЗМОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСВИЕ В Bi2Te3–Sb2Te3 Физика конденсированных состояний: сб. тезисов III Международной конференции ИФТТ – Черноголовка, с. 235, Сборник тезисов С. 18. (год публикации - 2023)
10.26201/ISSP.2023/FKS-3.232

19. Степанов Н.П., Иванов М.С. Температурная зависимость холловской подвижности носителей заряда монокристаллов Bi2−𝑥Sb𝑥Te3 (0 < 𝑥 < 2) XVIII Межгосударственная Конференция ТЕРМОЭЛЕКТРИКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ Сборник тезисов. С. 31., Сборник тезисов. С. 31. (год публикации - 2023)

20. Степанов Н.П. Наблюдение сближения энергии плазмона и межзонного перехода в кристалле Bi0.6Sb1.4Te3 XVIII Межгосударственная Конференция ТЕРМОЭЛЕКТРИКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ Сборник тезисов. С. 72., Сборник тезисов. С. 72. (год публикации - 2023)

21. Степанов Н.П., Грабко Г.И. Магнитоактивные примеси, содержащиеся в природном пирите FeS2, и их влияние на термоэлектрические свойства XVIII Межгосударственная Конференция ТЕРМОЭЛЕКТРИКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ Сборник тезисов. С. 73., Сборник тезисов, с.73 (год публикации - 2023)

22. Степанов Н.П., Иванов М.С. Исследование влияния температуры на электрофизические свойства монокристаллов Bi2-xSbxTe3 (х= 0.5, 1.5) с использованием коэффициента Холла XIII Всероссийская школа-семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС-23), Тезисы докладов, г. Екатеринбург, ИФМ УрО РАН, 2023, 252 с. (СПФКС-23) с. 124., Тезисы докладов с.124. (год публикации - 2023)

23. Степанов Н.П., Иванов М.С., Степанова Л.Э. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА ХОЛЛА И УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ КРИСТАЛЛОВ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ (Bi2-хSbх)Te3 (0<х<2) В ИНТЕРВАЛЕ 78 - 297 К Известия вузов. Физика (год публикации - 2023)

24. Степанов Н.П., Иванов М.С., Степанова Л.Э., Виноградова Л.В. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ (Bi2-хSbх)Te3 (0<х<2) Физика и техника полупроводников, Том 56, выпуск 9 стр. 897-903 (год публикации - 2022)
10.21883/FTP.2022.09.53412.9839

Публикации

9. Степанов Н.П. ЭЛЕКТРОН-ПЛАЗМОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В КРИСТАЛЛАХ Bi2Te3–Sb2Te3 Поверхность (год публикации - 2024)