Особливості термоелектричних властивостей плівок PbTe та його аналогів - Автореферат

Ефективність використання термоелектричного матеріалу в першу чергу визначається його можливістю досягнення високих значень термоелектричної добротності (Z=a2s/c, де a ? коефіцієнт термо-е.р.с., s ? питома електропровідність, c ? коефіцієнт теплопровідності) [1, 2]. Серед халькогенідів свинцю вигідно відрізняється своїми властивостями телурид свинцю: багатодолинний характер енергетичного спектру (N=4); низькі значення граткової теплопровідності (СГ=2,09·10-2 Вт·К-1·см-1); порівняно високі рухливості носіїв (m»103 см2·В-1·с-1); найбільше значення величини mc-1, що веде до суттєвого зростання максимального значення термоелектричної добротності (Zmax) [4, 5]. У звязку із цим, задача підвищення термоелектричної добротності включає не тільки розробку технологічних методів покращення обємних параметрів плівок, але і методи цілеспрямованого створення визначених властивостей міжкристалічних та міжзеренних границь. Мета і задачі дослідження полягають у встановленні закономірностей впливу структури, умов вирощування і зовнішніх факторів (термічного відпалу, радіаційного опромінення, легування) на термоелектричні характеристики плівок телуриду свинцю та його аналогів. Досліджено залежність основних термоелектричних параметрів ряду твердих розчинів, тонких плівок і кристалів на основі халькогенідів свинцю і олова від їх хімічного складу.Досліджено залежність термоелектричних параметрів тонких плівок n-PBTE, осаджених на сколи (111) монокристалів BAF2 і аморфну поліамідну стрічку ПМ-1 у методі гарячої стінки від технологічних факторів: температури випаровування (ТВ), стінок камери (ТС) та осадження (ТП). В таблиці наведено знайдені технологічні фактори, при яких плівки PBTE мають максимальні термоелектричні параметри. Вивчено особливості термоелектричних параметрів тонких (товщина 0,05-0,5 мкм) і товстих (товщина 1,0-10 мкм) плівок n-PBTE. Температурні залежності інших термоелектричних параметрів тонких і товстих плівок подібні між собою: рухливість носіїв струму у всьому інтервалі має чітко виражену тенденцію до спадання; питома електропровідність зменшується; інші термоелектричні параметри a2s, Z, ZT з температурою мають явно виражений максимум (~200 К). З підвищенням температури чи часу відпалу мають місце процеси амбіполярної дифузії вакансій телуру і електронів (е-) вглиб плівок і утворення двошарової р-n-структури.

2. Основний зміст дисертації

Досліджено залежність термоелектричних параметрів тонких плівок PBTE, осаджених на сколи (111) кристалів BAF2 і аморфну поліамідну стрічку ПМ-1 у методі гарячої стінки від технологічних факторів. Встановлено, що для дрібнодисперсного матеріалу (PBTE/ПМ-1), внаслідок зростання коефіцієнта термо-е.р.с. (a) і зменшення граткової теплопровідності (СГ), має місце значне покращення (більш як у 6 разів у порівнянні з PBTE/(111) BAF2) термоелектричної добротності (Z).

На основі вивчення температурних залежностей термоелектричних властивостей плівок n-PBTE встановлено, що максимальні значення термоелектричної потужності (a2s) та добротності (Z, ZT) припадають на ~200 К. Збільшення товщини тонких плівок в інтервалі 0,05-0,5 мкм приводить до зростання термоелектричних параметрів при 200 К у 2-2,5 разів. Максимум пікових значень термоелектричних параметрів (a2s, Z, ZT) товстих плівок (1,0-10 мкм) при 200 К припадає на інтервал концентрацій (1-3)·1017 см-3.

Високі значення термо-е.р.с. та покращення термоелектричної добротності при ізохронному відпалі у вакуумі плівок р-PBTE пояснено амбіполярною дифузією позитивно заряджених вакансій телуру і електронів вглиб плівок та утворенням двошарової р-n-структури.

Проведено експериментальне дослідження впливу кисню на термоелектричні властивості тонких плівок PBTE n-типу. Показано, що адсорбція поверхнею плівок кисню і утворення потенціальних барєрів на границі зерен ведуть до аномально високих значень термо-е.р.с. та зростання термоелектричної потужності.

Гамма-опромінення плівок n-PBTE, осаджених на ПМ-1, веде до зменшення питомої електропровідності, зростання коефіцієнта термо-е.р.с. і зростання термоелектричних параметрів. Така зміна властивостей повязана із зменшенням холлівської концентрації і рухливості електронів за рахунок проникнення кисню на границях зерен. Інтенсивність проникнення кисню на границях зерен визначається як нагріванням зразків до 330-360 К при опроміненні, що сприяє термодифузії, так і прискоренням дифузії вже прониклого в приповерхневий шар кисню за допомогою радіаційно-стимульованих процесів.

Експериментальні результати дослідження температурних залежностей термоелектричних властивостей кристалів PBTE n-і р-типу провідності пояснено з врахуванням складної будови валентної зони і розсіювання носіїв на іонізованих центрах та акустичних коливаннях. Визначено інтервали температур, для яких матеріал має оптимальні значення термоелектричної добротності. Зокрема встановлено, що якщо в області низьких температур 10-100 К основні термоелектричні параметри (a2s, Z, ZT) загалом зростають у всьому досліджуваному інтервалі, то для температур 100-500 К a2s і Z різко зменшуються, а безрозмірна термоелектрична добротність ZT має характерний максимум. Для кристалів PBTE р-типу він знаходиться в області 200-300 К і складає (ZT)max=0,18, а для n-PBTE (ZT)max=0,25 при температурах 200-400 К.

Підтверджено, що для твердого розчину (Pb0,8Sn0,2)1-XINXTE (0,02?х?0,15) коефіцієнт термо-е.р.с. при температурах вищих за 250 К відємний. При температурах нижчих від 250 К кристали складів 0,02?х?0,05 характеризуються негативним значенням термо-е.р.с., а при х?0,05 ? позитивним. Максимального значення термоелектрична потужність досягає для складу х=0,02. Показано, що суттєву роль у явищах переносу відіграють електрони домішкової зони індію, енергетично відділеної від зони провідності. Подальше зростання концентрації індію приводить до різкого спадання термоелектричних характеристик.

Встановлено, що додаткове легування йодом до 0,1-0,3 ат. % кристалів PBTE:In з малим вмістом In (0,001-0,002 ат. %) приводить до зростання їх термоелектричних параметрів, що повязано із зростанням холлівської концентрації носіїв і питомої електропровідності. Подальше збільшення вмісту In і I не бажане, оскільки сильно спадає термо-е.р.с. і повільно зростає електропровідність, що в свою чергу веде до низьких значень a2s, Z і ZT.

На основі дослідження властивостей чотирикомпонентного твердого розчину Pb1-XSNXTE1-YSEY показано, що кристали складу х=0,10, y=0,97 мають найбільше значення термоелектричної потужності a2s та термоелектричної добротності Z в області температур 77-300 К.

Список використаних джерел

Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. -М.-Л.: АН СССР. -1960. -346 с.

Анатичук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник. Киев: Наук. думка. -1979. -768 с.

Абрикосов Н.Х., Шелимова Л.Е. Полупроводниковые материалы на основе соединений AIVBVI. -М.: Наука. -1975. -194 с.

Равич Ю.М., Ефимова Б.А., Смирнов Н.А. Методы исследования полупроводников в применении к халькогенидам свинца PBTE, PBSE, PBS. -М.: Наука. -1968. -384 с.

Булат Л.П., Закордонец В.С. Предельная термоелектрическая добротность полупроводниковых кристаллических материалов// Физика и техника полупроводников. -1995. -Т. 29. -Вып. 10. -С. 1743-1749.

Лидоренко Н.С. Пленочные термоэлементы: Физика и применение. -М.: Наука. -1985. -232 с.

Размещено на .ru