Bulk Nanocrystalline Thermoelectrics Based on Bi-Sb-Te Solid Solution

A nanopowder from p-Bi-Sb-Te with particles ~ 10 nm were fabricated by the ball milling using different technological modes. Cold and hot pressing at different conditions and also SPS process were used for consolidation of the powder into a bulk nanostructure and nanocomposites. The main factors allowing slowing-down of the growth of nanograins as a result of recrystallization are the reduction of the temperature and of the duration of the pressing, the increase of the pressure, as well as addition of small value additives (like MoS2, thermally expanded graphite or fullerenes). It was reached the thermoelectric figure of merit ZT=1.22 (at 360 K) in the bulk nanostructure Bi0,4Sb1,6Te3 fabricated by SPS method. Some mechanisms of the improvement of the thermoelectric efficiency in bulk nanocrystalline semiconductors based on BixSb2-xTe3 are studied theoretically. The reduction of nanograin size can lead to improvement of the thermoelectric figure of merit. The theoretical dependence of the electric and heat conductivities and the thermoelectric power as the function of nanograins size in BixSb2-xTe3 bulk nanostructure are quite accurately correlates with the experimental data.Comment: 35 pages, 24 figures, 4 tables, 52 reference

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭКСТРУЗИИ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ Bi0,5Sb1,5Te3 p–ТИПА ПРОВОДИМОСТИ

This article deals with regularities of defect structure and texture formation for extrusion of thermoelectric materials at different temperatures. The authors consider the influence of competition between deformation processes, return and recrystallization on the structure and properties of extruded materials. The experiment uses X–ray diffraction method, Harman’s method and the method of hydrostatic weighing for thermoelectric samples at different extrusion temperatures. The texture, physical properties and density of thermo electric materials change nonmonotonically depending on the extrusion temperature. The research allows establishing optimum extrusion temperature for thermoelectric materials achieving the greatest thermoelectric figure of merit. The research shows that the thermoelectric material has the best properties after extrusion at 400 °C.На основе изучения закономерностей формирования дефектной структуры и текстуры термоэлектрических материалов при разных температурах экструзии рассмотрено влияние конкуренции между процессами деформации, возврата и рекристаллизации на структуру и свойства экструдированных материалов. Исследования проведены с применением методов рентгеновской дифрактометрии (анализ структуры по уширению пиков) и Хармана (измерение термоэлектрических свойств). Измерения плотности образцов выполнены методом гидростатического взвешивания. На исследованных образцах термоэлектрического материала выявлены немонотонные зависимости изменения текстуры, электрофизических свойств (электро−, теплопроводность, коэффициент термо−ЭДС, термоэлектрическая эффективность) и плотности экструдированного материала от температуры экструзии. Установлена оптимальная температура экструзии для термоэлектрических материалов, при которой наблюдается наибольшее значение термоэлектрической эффективности. Показано, что наилучшими свойствами обладает материал после экструзии при температуре 400 °С. При этом наблюдается оптимальное сочетание коэффициента термо−ЭДС, электро− и теплопроводности, возникающее за счет конкуренции динамической рекристаллизации, при которой образуются активные дефекты за счет движения высокоугловых границ зерен. Кроме того, за счет отжига точечных дефектов повышается подвижность носителей заряда, и снижается плотность за счет образования пор

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПРИКОНТАКТНОЙ ОБЛАСТИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТЕЛЛУРИДА ВИСМУТА ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ

Destruction of the thermoelectric material on the basis of bismuth telluride under high temperatures, which prevents the use of these materials for a direct conversion of thermal energy into electrical energy, are revealed. Mechanisms of the occurring process are proposed. It is shown that the industrial technology of spark cutting leads to appearance of the damaged layer, which facilitates the penetration of solder into the volume of the thermoelectric material in subsequent soldering of thermoelements.Выявлены разрушения термоэлектрического материала на основе теллурида висмута под воздействием высоких температур, что препятствует при-менению этих материалов для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Предложены механизмы про-текающих процессов. Показано, что промышленная технология электроискровой резки материа-ла приводит к возникновению нарушенного слоя, который при последующей пайке термоэлементов способствует проникновению припоя в объем термоэлектрического материала

First-principles study of As interstitials in GaAs: Convergence, relaxation, and formation energy

Convergence of density-functional supercell calculations for defect formation energies, charge transition levels, localized defect state properties, and defect atomic structure and relaxation is investigated using the arsenic split interstitial in GaAs as an example. Supercells containing up to 217 atoms and a variety of {\bf k}-space sampling schemes are considered. It is shown that a good description of the localized defect state dispersion and charge state transition levels requires at least a 217-atom supercell, although the defect structure and atomic relaxations can be well converged in a 65-atom cell. Formation energies are calculated for the As split interstitial, Ga vacancy, and As antisite defects in GaAs, taking into account the dependence upon chemical potential and Fermi energy. It is found that equilibrium concentrations of As interstitials will be much lower than equilibrium concentrations of As antisites in As-rich, $n$-type or semi-insulating GaAs.Comment: 10 pages, 5 figure

О связи протонного облучения и термической обработки монокристаллического кремния с его структурой

The method of two-crystal X-ray diffractometry is used to control the quality and perfection of monocrystalline silicon obtained by implantation of hydrogen ions and subsequent thermal annealing, which is used in a number of semiconductor technologies. The principal feature of this approach is the ability to quickly obtain reliable experimental results, which was confirmed in this paper by the use of X-ray topography. The presented data provide information on the state of the disturbed layer of silicon crystals of n-type conductivity (ρ = 100 Om ⋅ cm) by orientation (111), 2 mm thick, implanted by protons with energy E = 200, 300, 100 + 200 + 300 keV, dose D = 2 ⋅ 1016cm-2 and subjected to subsequent thermal treatment in the temperature range T from 100 to 900 °С. We have established a non-monotonic dependence of the integral characteristics of the disturbed layer, namely the average effective thickness Leff and the average relative deformation ∆а/а, on annealing temperature, with the maximum level of distortion in the field of temperature ∼300 °С, using the method of integral characteristics. Obtained data allowed to assess the general condition of disturbed layer during thermal treatment.Метод двухкристальной рентгеновской дифрактометрии применен для контроля качества и совершенства монокристаллического кремния, получаемого с помощью имплантации ионов водорода и последующего термического отжига, который используется в ряде полупроводниковых технологий. Принципиальная особенность данного подхода состоит в возможности быстрого получения надежных экспериментальных результатов, что было подтверждено путем использования рентгеновской топографии. Представлены данные о состоянии нарушенного слоя кристаллов кремния n-типа проводимости (ρ = 100 Ом ⋅ см) ориентацией (111) толщиной 2 мм, имплантированных протонами с энергией Е = 200, 300 и 100 + 200 + 300 кэВ и дозой имплантации D = 2 ⋅ 1016 см-2 и подвергнутых последующей термической обработке в интервале температур Т от 100 до 900 °С. С использованием метода интегральных характеристик установлена немонотонная зависимость интегральных характеристик нарушенного слоя, а именно: средней эффективной толщины Lэфф и средней относительной деформации ∆а/а от температуры отжига, с максимальным уровнем искажений в области температуры ∼300 °С. Показано, что полученные данные позволили оценить общее состояние нарушенного слоя при термообработке

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ (Bi,Sb)2Te3, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ ИСКРОВОГО ПЛАЗМЕННОГО СПЕКАНИЯ

Thermoelectric properties of (Bi,Sb)2Te3 nanostructured bulk material as a function of composition and spark plasma sintering temperature were investigated. The Bi0,4Sb1,6Te3 alloys at sintering temperature 450—500 °C with ZT=1,25—1,28 figure of merit was fabricated. Thermoelectric properties ad a function ofsintering temperature above 400 °C correlate with fine structure change. It was found that point structure defects introduce essential contribution to the formation of nanostructured material thermoelectric properties.Исследована зависимость термоэлектрических свойств наноструктурированного объемногоматериала (Bi,Sb)2Te3 от состава и температуры SPS−спекания ТSPS. Обнаружено, что твердыйраствор Bi0,4Sb1,6Te3, спеченный при температуре 450—500 °С, имеет термоэлектрическуюэффективность ZT = 1,25÷1,28. Зависимость термоэлектрических свойств от температурыспекания ТSPS выше 400 °С коррелирует с изменением тонкой структуры материала, котороеопределяется перераспределением донорных точечныхдефектов вакансионного типа впроцессе повторной рекристаллизации. Установлено, что точечные структурные дефекты вносятсущественный вклад в формирование термоэлектрическихсвойств наноструктурированногоматериала