(а) Кристаллическая структура рассматриваемых суперячеек нелегированного и легированного PbTe. (б) Функция локализации электронов легированного PbTe. Изображение:
Письма по прикладной физике
(2024). DOI: 10.1063/5.0185002
По оценкам ученых, отработанное тепло, которое попадает в окружающую среду и остается неиспользованным, составляет более 70% потерь мирового энергопотребления. С помощью термоэлектрических материалов — специальных полупроводников — рассеиваемое тепло можно преобразовать в электричество. Термоэлектрические материалы также могут быть использованы для создания охлаждающих устройств, позволяющих снизить потребление энергии в бытовых и промышленных целях.
Поиск этих материалов является одной из ключевых задач современного материаловедения. Команда ученых из Сколтеха, Института биохимической физики имени Эмануэля РАН, а также других ведущих научных организаций России и Израиля исследовала, как добавление примесей в теллурид свинца (PbTe) — термоэлектрический материал, может повлиять на его механические свойства и продлить срок службы. Срок службы термоэлектрического генератора. статья был опубликован в Письма по прикладной физике.
«Теллурид свинца используется на газопроводах в Ямальском регионе для обеспечения работы датчиков. Там невозможно провести линии электропередачи, а дизельные двигатели требуют постоянного контроля. Вместо этого для обеспечения тепла используются небольшие трубки с горящим газом. термоэлектрический материал, тепло горящего газа преобразуется в электричество, которого достаточно для работы датчиков», — рассказал Илья Чепкасов, ведущий автор исследования, старший научный сотрудник Центра энергоперехода Сколтеха.
У материала есть и некоторые недостатки: он может портиться при контакте с материалами, имеющими другой коэффициент теплового расширения. Легкое разрушение может зависеть от легирования, которое представляет собой процесс добавления примесей в кристаллическую структуру полупроводника с целью изменения его электрических и термоэлектрических свойств и обеспечения контролируемой и предсказуемой проводимости.
Существует два типа легирования полупроводников. Легирование N-типа приводит к образованию полупроводника, в котором электроны являются основными носителями заряда. Легирование P-типа позволяет получить полупроводник, в котором основная роль в переносе заряда отводится так называемым «дыркам» — местам, которые появляются в электронной связи после выхода электрона. Они имеют положительный заряд и ведут себя как положительные частицы.
Ученые продемонстрировали, что химическая связь в PbTe n-типа ослабевает по мере заполнения разрыхляющихся орбиталей. В результате материал становится более пластичным и при тепловом расширении риск его деградации ниже, чем у р-типа.
«В зависимости от типа легирования механические свойства материала могут меняться по-разному. В PbTe n-типа концентрация легирующих примесей незначительно влияет на механические свойства. В PbTe p-типа наблюдается значительное увеличение его твердость. Мы изучили причину такого поведения и обнаружили, что легирование n-типа приводит к появлению дополнительного электрона на разрыхляющейся орбитали. Из-за этого материал становится более пластичным. И наоборот, легирование p-типа приводит к более жесткой связи и более хрупкий материал”, – добавил Чепкасов.
Новые результаты помогут выбрать легирующую присадку, которая улучшит механические свойства теллурида свинца и повысит долговечность термоэлектрического генератора. Исследование выполнено в рамках гранта РАН № 19-72-30043 «Лаборатория компьютерного проектирования новых материалов». Целью проекта является разработка новых вычислительных методов, которые значительно расширят возможности компьютерного прогнозирования материалов с учетом таких сложных факторов, как температура и корреляционные эффекты.
Предоставлено Сколковским институтом науки и технологий.