Особенности микроструктуры и термоэлектрических свойств нетекстурированных и текстурированных соединений на основе теллурида висмута тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, кандидат наук Васильев Алексей Евгеньевич

• Васильев Алексей Евгеньевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Васильев Алексей Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ (ОБЗОР)

1.1 Основные термоэлектрические явления

1.2 Кристаллическая структура теллурида висмута

1.3 Анизотропия термоэлектрических свойств теллурида висмута

1.4 Способы повышения термоэлектрической добротности соединений на основе теллурида висмута

1.5 Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. ПОЛУЧЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Получение образцов для исследования

2.1.1 Сольвотермально-микроволновой синтез исходных порошков

2.1.2 Компактирование и спекание исходных порошковолодное

2.2 Основные методы исследований

2.2.1 Методы исследования фазового и элементного состава, кристаллической и зеренной структуры, определения плотности образцов

2.2.2 Методы исследования термоэлектрических свойств образцов

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ТЕКСТУРИРОВАНИЯ НА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОБРАЗЦОВ СОЕДИНЕНИЯ В^иоДе^ео.э

3.1 Текстурирование в соединениях на основе В12Те3

3.2 Анизотропия термоэлектрических свойств образцов соединения В11,9Ьи0,1Те2,7Зе0,з, текстурированных с помощью искрового плазменного спекания

3.2.1 Особенности зеренной структуры текстурированных образцов соединения В11,9ЬиодТе2,73ео

3.2.2 Особенности термоэлектрических свойств текстурированных образцов соединения В11,9ЬиодТе2,73ео,э

2

3.3 Выводы по главе

ГЛАВА 4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

НЕТЕКСТУРИРОВАННЫХ И ТЕКСТУРИРОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ

СОЕДИНЕНИЯ В^ОФиТез

4.1 Аттестация исходного порошка

4.2. Термоэлектрические свойства нетекстурированных образцов, полученных с помощью холодного изостатического прессования с последующим спеканием при различных температурах

4.2.1 Влияние температуры спекания на кристаллическую и зеренную структуру, и элементный состав нетекстурированных образцов

4.2.2 Влияние температуры спекания на термоэлектрические свойства нетекстурированных образцов

4.3 Термоэлектрические свойства текстурированных образцов, полученных с помощью искрового плазменного спекания при различных температурах

4.3.1 Влияние температуры искрового плазменного спекания на кристаллическую и зеренную структуру, элементный состав и степень текстурирования текстурированных образцов

4.3.2 Влияние температуры искрового плазменного спекания на термоэлектрические свойства текстурированных образцов

4.4 Сравнительный анализ термоэлектрических свойств текстурированных и нетекстурированных образцов

4.5 Выводы по главе

ГЛАВА 5. РАЗМЕРНЫЙ ЭФФЕКТ В УДЕЛЬНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ СОПРОТИВЛЕНИИ ТЕКСТУРИРОВАННЫХ ОБРАЗЦОВ СОЕДИНЕНИЯ В^ОфцТез

5.1 Влияние размера зерна на термоэлектрические свойства текстурированных образцов соединения В11;9аё0дТе3

5.2 Модель Маядаса-Шатцкеса

5.3 Анизотропия в размерном эффекте в удельном электрическом сопротивлении текстурированных образцов соединения Bi1,9Gd0,1Te3

5.4 Выводы по главе

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности микроструктуры и термоэлектрических свойств нетекстурированных и текстурированных соединений на основе теллурида висмута»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Разработка новых эффективных источников электрической энергии во многом определяет развитие современной техники и технологий. Помимо высокой эффективности, необходимым требованием, предъявляемым к таким источникам, является их экологичность (вырабатываемая энергия должна быть, во-первых, возобновляема и, во-вторых, не оказывать вредного влияния на окружающую среду). Термоэлектрические генераторы, удовлетворяющие требованиям экологичности, осуществляют прямое преобразование тепловой энергии (как правило, в виде отработанного или «сбросового» тепла) в электрическую энергию и обладают многими другими достоинствами (надежность, долговечность, бесшумность работы и т.д). Однако эти достоинства термоэлектрических генераторов нивелируются их низким коэффициентом преобразования тепловой энергии в электрическую (как правило, не превышает ~8%). Такой низкий КПД обусловлен свойствами используемого термоэлектрического материала. Лучшими термоэлектриками являются полупроводники, обладающие одновременно высокой электропроводностью и значением коэффициента Зеебека, и низкой теплопроводностью. Комбинация этих свойств определяет термоэлектрическую добротность термоэлектрика. Для низкотемпературных термоэлектрических применений основным материалом является теллурид висмута В1^е3. Однако максимальное значение добротности и этого материала не превышает 1, что не позволяет использовать его во многих потенциально перспективных областях промышленности и техники, и стимулирует поиск и разработку новых научных и технологических подходов к повышению термоэлектрической эффективности В1^е3.

Степень разработанности темы исследования. Соединения на основе

теллурида висмута электронного и дырочного типа проводимости в

настоящее время являются основным материалом для низкотемпературных

5

термоэлектрических применений. Особенностью этих соединений является их способность текстурироваться при приложении одноосного давления в процессе получения поликристаллических образцов. Текстурирование частично восстанавливает кристаллическую анизотропию в термоэлектрических свойствах, характерную для монокристаллов, и может быть использовано в качестве важного параметра для управления термоэлектрической добротностью материалов. Влияние текстурирования на термоэлектрические свойства соединений на основе теллурида висмута исследуется во многих научных центрах и университетах (Ben-Gurion University, Israel; Huazhong University of Science and Technology, Shanghai Institute of Ceramics, Zhejiang University, People's Republic of China; Laboratoire CRISMAT UMR, France; 'Ecole Polytechnique de Montr'eal, Canada и др.). Однако, при проведении таких исследований, как правило, не учитывается, что формирование текстуры происходит при достаточно высокой температуре и может сопровождаться изменением элементного состава материала и образованием дополнительных дефектов, которые будут оказывать дополнительное влияние на концентрацию и подвижность носителей тока, а также на термоэлектрические свойства текстурированных материалов. Кроме того, в текстурированных материалах может развиваться дополнительный механизм, влияющий на анизотропию их транспортных свойств, и связанный с размерными эффектами, по-разному проявляющимися при измерении транспортных свойств вдоль и перпендикулярно оси текстуры. Следовательно, отмеченные особенности термоэлектрических свойств текстурированных материалов на основе теллурида висмута требуют специального изучения.

Целью диссертационной работы явилось установление закономерностей и механизмов влияния микроструктуры на термоэлектрические свойства нетекстурированных (полученных с помощью холодного изостатического прессования с последующим спеканием в

инертной атмосфере) и текстурированных (полученных с помощью искрового плазменного спекания) соединений на основе теллурида висмута. В качестве объектов исследования были использованы поликристаллические соединения Bil,9LuодTe2,7Seо,з и Bil,9Gdо,lTeз.

Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие основные задачи:

• Получение нетекстурированных и текстурированных образцов на основе теллурида висмута с различной зеренной структурой (форма и средний размер зерна, ориентационный фактор), которые определяют особенности термоэлектрических свойств образцов.

• Проведение сравнительного анализа особенностей термоэлектрических свойств (удельное электрическое сопротивление, коэффициент Зеебека, полная теплопроводность и термоэлектрическая добротность) нетекстурированных и текстурированных образцов.

• Определение закономерностей изменения кристаллической и зеренной структуры, а также элементного состава образцов, полученных с помощью холодного изостатического прессования и искрового плазменного спекания, в зависимости от температуры спекания.

• Установление механизмов изменения подвижности и концентрации основных носителей тока, а также термоэлектрических свойств образцов с различной зеренной структурой и элементным составом, определяемыми как способами получения материала, так и температурой спекания.

• Определение оптимальной температуры спекания образцов, полученных с помощью холодного изостатического прессования и искрового плазменного спекания, обеспечивающей достижение максимальной термоэлектрической добротности.

• Идентификация и анализ размерных эффектов в транспортных свойствах текстурированных образцов с различным средним размером

зерна.

Методы исследования. Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования: рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ, просвечивающая электронная микроскопия, растровая электронная микроскопия, оптико-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой, метод Архимеда, четырехзондовый метод измерения удельного электрического сопротивления и коэффициента Зеебека, метод лазерной вспышки для определения полной теплопроводности, исследование эффекта Холла. Научная новизна работы.

• Определена анизотропия в термоэлектрических свойствах (удельное электрическое сопротивление, коэффициент Зеебека, полная теплопроводность) текстурированных образцов Bil;9LuoдTe2/7Seo,з, полученных с помощью искрового плазменного спекания.

• Установлены закономерности эволюции зеренной структуры нетекстурированных и текстурированных образцов Bi1;9Gd0дTe3, полученных соответственно с помощью холодного изостатического прессования и искрового плазменного спекания, в зависимости от температуры спекания.

• Идентифицированы механизмы влияния зеренной структуры, контролируемые способом получения и температурой спекания, на особенности поведения параметров кристаллической структуры, элементного состава, концентрации и подвижности электронов, а также удельного электрического сопротивления, коэффициента Зеебека и полной теплопроводности (с вкладами от решеточной, электронной и биполярной теплопроводности), как нетекстурированых изотропных образцов, так и текстурированных анизотропных образцов Bil;9GdoдTeз.

• Определены условия получения как нетекстурированных, так и текстурированных образцов Bi1;9Gd0дTe3, с оптимальной комбинацией

термоэлектрических свойств, способствующей достижению максимальной термоэлектрической добротности.

• Идентифицированы размерные эффекты в транспортных свойствах текстурированных образцов Bi1,9Gd0,1Te3 с микро- и нанозеренной структурами.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы обусловлена тем, что полученные результаты углубляют и развивают физические представления о закономерностях и механизмах влияния способов и условий получения на микроструктуру нетекстурированных и текстурированных термоэлектрических материалов на основе теллурида висмута.

Практическая значимость работы состоит в том, что установленные закономерности и механизмы могут быть использованы при разработке новых или модифицировании существующих термоэлектрических материалов с высокой термоэлектрической добротностью. Основные положения, выносимые на защиту.

• Для текстурированных образцов Bil,9Luо,lTe2,7Seо,з с ориентационным фактором ~0,38 коэффициент анизотропии удельного электрического сопротивления, измеренного параллельно и перпендикулярно оси текстуры, при комнатной температуре достигает аномально высокого значения ~5,85, близкого к коэффициенту анизотропии сопротивления для монокристалла; высокое значение коэффициента анизотропии может быть связано с рассеянием электронов на межзеренных границах.

• Для нетекстурированных образцов Bil,9Gdо,lTeз, полученных с помощью холодного изостатического прессования и спеченных при различных температурах, максимальное значение термоэлектрической добротности, равное ~0,55, достигается для образца, спеченного при температуре 750 К, соответствующей переходу от мелко- (средний

размер зерна ~500 нм), к крупнозернистым (средний размер зерна > 1100 нм) образцам; максимальное значение добротности обеспечивается максимальным значением фактора мощности, определяемым, в свою очередь, минимальным значением электрического сопротивления вследствие достижения наивысшей подвижности электронов.

• Для текстурированных образцов Bi1;9Gd0дTe3, полученных с помощью искового плазменного спекания, максимальное значение термоэлектрической добротности, равное ~0,75, достигается для образца, спеченного при температуре 750 К и в направлении, перпендикулярном оси текстуры; максимальное значение добротности преимущественно обеспечивается максимальным восстановлением анизотропии термоэлектрических свойств при текстурировании, определяемым ориентационным фактором.

• Для текстурированных образцов Bi1;9Gd0дTe3 с различным средним размером зерна, контролируемым температурой искрового плазменного спекания, идентифицирован слабо-анизотропный размерный эффект в удельном электрическом сопротивлении, измеренным параллельно и перпендикулярно оси текстуры, обусловленный рассеянием электронов на межзеренных границах. Достоверность. Достоверность научных результатов обеспечивается:

• Использованием взаимодополняющих экспериментальных методов исследования.

• Воспроизводимостью результатов, полученных на большом количестве предварительно аттестованных образцов.

• Удовлетворительным качественным и количественным описанием установленных закономерностей в рамках используемых физических моделей и механизмов и получением физически обоснованных оценок некоторых величин, сделанных при анализе экспериментальных

данных.

Связь работы с научными программами и темами.

Диссертационная работа выполнена на кафедре теоретической и математической физики Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет» в рамках следующих научных проектов: грант на проведение научно-исследовательских работ по приоритетным направлениям развития науки, техники и критическим технологиям для студентов и аспирантов вузов Белгородской области от «31» июля 2018 года № 55 «Повышение термоэлектрической эффективности материалов на основе твердых растворов теллурид висмута - селенид висмута, легированных тулием, предназначенных для производства термоэлектрических генераторов»; соглашение №14.А18.21.0149 «Получение, структура и свойства композиционных материалов (наноматериалов) для возобновляемых источников энергии» (Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 гг., 2012 - 2013 гг.); проект № 3.308.2014/К «Влияние внутренних поверхностей раздела на электрофизические свойства керамических и композиционных материалов» (Государственное задание образовательным учреждениям высшего образования, подведомственным Минобрнауки России, в сфере научной деятельности).

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: XVI Межгосударственная Конференция ТЕРМОЭЛЕКТРИКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЯ - 2018 (ИСТА 2018) Санкт-Петербург, 8 - 12 Октября 2018 г.; Международная научно-практическая конференция «Альтернативная и интеллектуальная энергетика» 6-8 декабря 2018 года Воронеж; XXIV

Международная конференция «Релаксационные явления в твердых телах» (RPS-24) г. Воронеж, 24-27 сентября 2019 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора. Все научные результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем, либо при его непосредственном участии. Личное участие автора заключается в проведении экспериментальных исследований (подготовка образцов, постановка и выполнение экспериментов), обработке и анализе результатов исследований, подготовке материалов для научных статей и докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных результатов, выводов и списка литературы из 127 наименований. Основная часть работы изложена на 147 страницах, содержит 69 рисунков и 3 таблицы.

ГЛАВА 1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ (ОБЗОР)

1.1 Основные термоэлектрические явления

В полупроводниках и металлах между тепловыми и электрическими процессами существует взаимосвязь, которая обуславливает ряд явлений, называемых термоэлектрическими.

Эффект Зеебека. В 1821 г. Т.И. Зеебек обнаружил появление электрического тока в замкнутой электрической цепи, где спаи разнородных металлов имели разную температуру [1]. В общем случае эффект Зеебека представляет собой возникновение электродвижущей силы в замкнутой электрической цепи при появлении температурного градиента. Эффект Зеебека обусловлен следующими причинами: диффузия носителей заряда (электронов, дырок) и увлечение их фононами. Знак коэффициента Зеебека соответствует знаку основных носителей электрического тока: отрицательный знак в случае электронного типа проводимости и положительный - для дырочной проводимости.

При небольших градиентах температур величина возникающей при эффекте Зеебека термо-ЭДС определяется выражением

я = аАТ, (1.1)

где АТ = ТГ - ТХ - разность температур между горячим и холодным спаями и а,12 - дифференциальная термо-ЭДС, определяемая выражением

= Я/ АТ. (1.2)

Эффект Пелътъе. Эффект, обратный эффекту Зеебека, был открыт Пельтье в 1834 г. Этот эффект заключается в выделении (либо поглощении) тепла при пропускании электрического тока на спаях двух разнородных материалов, находящихся в замкнутой электрической цепи [2].

Появление эффекта Пельтье связано с тем, что носители тока,

переходящие из одного материала в другой, имеют избыток или недостаток энергии. В результате перераспределения носителей заряда по уровням энергии, энергия носителей будет или повышаться, или уменьшаться. Следовательно, выделение теплоты обусловлено передачей избытка энергии носителей кристаллической решетке, а поглощение теплоты - пополнением недостатка энергии носителей за счет теплового движения решетки.

Выделяющаяся (или поглощаемая) теплота пропорциональна переносимому заряду dQП = п2^де, где п21 = п2 - п1 - относительный коэффициент Пельтье, а мощность тепловыделения (или теплопоглощения) в спае двух разнородных проводников определяется как

в-=чг (13)

Следовательно, коэффициент Пельтье численно равен количеству теплоты, выделяющемуся на контакте двух разнородных проводников при прохождении через контакт единицы заряда.

Эффект Томсона - термоэлектрический эффект, предсказанный У. Томсоном в 1856 г. (впоследствии экспериментально подтвержден) [3], заключается в выделении или поглощении тепла в объеме однородного проводника, вдоль которого существует температурный градиент, и через который проходит постоянный электрический ток. Количество теплоты, выделяющееся вследствие эффекта Томсона в единицу времени на участке проводника длины dl:

dQ = тI^dl, (1.4)

где dTldl - температурный градиент, I - сила тока, т - коэффициент Томсона (коэффициент пропорциональности).

Для объяснения эффекта Томсона необходимо учитывать, что носители заряда в высокотемпературной области проводника обладают большей средней кинетической энергией. Переходя из высокотемпературной области в низкотемпературную область, такие «горячие» носители будут отдавать

избыточную энергию кристаллической решетке, нагревая проводник. Аналогично, в случае противоположного температурного градиента носители тока из низкотемпературной области проводника с меньшей средней кинетической энергией переходят в высокотемпературную область. При этом они пополняют свою энергию за счет энергии кристаллической решетки, охлаждая проводник.

Для оценки эффективности термоэлектрического материала используют термоэлектрическую добротность ТТ, определяемую формулой Иоффе [4]

92Т

= ^ (1.5)

где р - удельное электрическое сопротивление, 5 - коэффициент Зеебека (термо-ЭДС), к - полная теплопроводность и Т - средняя (рабочая) температура.

Наряду с использованием безразмерной величины 2Т также используют величину 2, имеющую размерность обратной температуры. Она также называется термоэлектрической добротностью. Эффективный термоэлектрический материал должен обладать оптимальным соотношением основных термоэлектрических свойств, т.е. высокими значениями коэффициента Зеебека и удельной электропроводности и низким значением теплопроводности (рис. 1.1). Такое соотношение достигается в полупроводниках [5-10].

1.2 Кристаллическая структура теллурида висмута

Теллурид висмута Bi2Te3 имеет кристаллическую структуру с пространственной группой симметрии ДЗ т (ромбоэдрическая) и параметрами элементарной ячейки ая = 10,477 А и ая = 24°9'32" [9]. Для описания структуры теллурида висмута также можно использовать

о

гексагональную элементарную ячейку с параметрами а = 4,3835± 0,0005 А

о

и с = 30,487 ± 0,001 А. Схематически кристаллическую структуру В12Те3 можно представить в виде квинтетов (5 атомных слоев), ориентированных перпендикулярно оси симметрии третьего порядка (для гексагональной элементарной ячейки совпадает с кристаллографической осью «с»). Каждый атомный слой в квинтете чередуется в последовательности - Те(1) - В1 - Те(2) - В1 - Те(1) -, и в совокупности эти атомы формируют плоскую гексагональную решетку (рис. 1.2).

Рисунок 1.1 - Схематическая зависимость электропроводности, коэффициента Зеебека и теплопроводности от концентрации носителей заряда [11]

В каждом из 5 слоев атомы Те(2) находятся вместе с 6 атомами В1 (каждый соседний слой дает по 3 атома), атом Те(1) с одной стороны связан с тремя атомами В1, а с противоположной - с тремя атомами Те(1). Атомы

последующих слоев квинтета располагаются над центрами треугольников, сформированных атомами из предыдущего слоя, образуя плотную гексагональную упаковку.

Те1 В| Те2 В\ Те1

Те1 В| Те2 В( Те1

Рисунок 1.2 - схематичное изображение структуры теллурида висмута

Теллурид висмута - соединение со смешанным типом химической

связи: химическая связь Ы - Те(2) и Ы - Те(1) является ковалентно-ионной;

между квинтетами химическая связь Те(1) - Те(1) слабая Ван-дер-Ваальсовая.

Скалывание кристаллов теллурида висмута по плоскости спайности

обусловлено наличием именно этой связи.

Теллурид висмута - низкотемпературный термоэлектрик с большим

коэффициентом термо-ЭДС (Б ~ 200 мкВ/К), высокой электропроводностью

(а ~1000 Ом-1См-1) и низкой теплопроводностью (~1,5 Вт/мК). Совокупность

этих свойств обеспечивает высокую термоэлектрическую добротность 2Т ~ 1

при температурах, близких к комнатной [12].

17

1.3 Анизотропия свойств теллурида висмута

Анизотропия свойств спеченного поликристаллического материала зависит от морфологии исходного порошка. Так, в работе [13] установлено, что объемные образцы на основе теллурида висмута, полученные с помощью искрового плазменного спекания, характеризуются изотропной зеренной структурой, если частицы исходного порошка сферическую форму. В случае, когда частицы исходного порошка имели форму тонких пластин (хлопьев), объемный образец обладал ярко выраженной анизотропией свойств.

Было установлено, что параметры процесса искрового плазменного спекания, в частности температура, оказывают сильное влияние на анизотропию свойств текстурированных образцов теллурида висмута дырочного типа проводимости, которая характеризуется ориентационным фактором (рис. 1.3, [14]). Формирование текстуры определяется процессами роста и рекристаллизации зерен.

Рисунок 1.3 - Зависимость ориентационного фактора от температуры искрового плазменного спекания [14]

В работе [15] при одновременном воздействии высокого давления и температуры, удалось достичь достаточно высокого значения ориентационного фактора в образцах теллурида висмута, приближающегося к значениям для монокристалла. Однако при повышении давления выше 4,5 ГПа, ориентационный фактор начинал снижаться до значений, характерных для образца с хаотичной ориентацией зерен. При этом, несмотря на явную анизотропию в зеренной структуре материала, электрические свойства, измеренные перпендикулярно и параллельно плоскости прессования, различаются не так сильно (рис. 1-4).

0 1 2 3 4 5

Давление прессования, ГПа

Рисунок 1.4 - Ориентационный фактор и фактор анизотропии удельного электрического сопротивления в зависимости от давления прессования [15]

Поликристаллические образцы на основе В12Тез, отличающиеся типом проводимости, текстурируются в различной степени. В работе [16] были исследованы образцы состава В^БЬ^бТез и Bi2Te2,lSeo,9, для которых фактор анизотропии F ^=0 соответствует хаотично ориентированным зернам F=1 монокристаллу), оцененный из анализа рентгеновских дифрактограмм,

19

составил 0,16 и 0,25 соответственно.

Для монокристаллического В12Те3 и соединений на его основе, анизотропия электропроводности и теплопроводности характеризуется следующими коэффициентами: оа-ь/ос ~ 5^5,5 и ка-ь/кс ~ 2 (электропроводность и теплопроводность, измеренная вдоль плоскостей «а-Ь» и оси «с») (рис. 1.5 и 1.6) [9, 17-23]).

Рисунок 1.5 - Температурные зависимости электропроводности теллурида висмута дырочного типа (а), электронного (б) и фактора анизотропии электропроводности [23].

1.4 Способы повышения термоэлектрической добротности соединений на основе теллурида висмута

Теллурид висмута продолжительное время является основным материалом, используемым в качестве низкотемпературного термоэлектрика Термоэлектрическая эффективность Bi2Te3 как правило, не превышает ZT ~

1. Это существенно сужает область его применения и стимулирует поиск и разработку новых научных и технологических подходов к модифицированию Bi2Te3 и составов на его основе с целью улучшения его термоэлектрической эффективности. Существует ряд стратегий, направленных на решение проблемы низкой добротности соединений на основе теллурида висмута: оптимизация химического состава и свойств, наноструктурирование и т.д. Зачастую именно легирование приводит к оптимальному сочетанию Б, р и к, что позволяет добиться максимального значения 2Т.

Оптимизация свойств объясняется следующими механизмами: увеличение электропроводности в случае использования электрически активной примеси (акцепторной или донорной), увеличение коэффициента термо-ЭДС за счет изменения эффективной массы плотности состояния или увеличения фактора рассеяния, снижение теплопроводности за счет образования дефектной структуры, а также из-за различия атомных масс основного вещества и примесных атомов.

Рисунок 1.6 - Общая и решеточная теплопроводность Bi2Te3 [9]

21

Оптимизация свойств с помощью создания твердых растворов.

Распространенным методом улучшения свойств в рамках первого направления является метод твердых растворов: легирование селеном Бе для электронного типа проводимости (В12Те2-х8ех) и композиции на основе теллурида сурьмы (В1х8Ь1-хТе3) дырочного типа [9, 24-30] . Твердые растворы теллурида висмута с сурьмой и селеном имеют большую ширину запрещенной зоны по сравнению с В12Те3 (Её (В12Те3) ~ 0,13эВ; Её (В12Те278е03) ~ 0,23эВ; Её (В1058Ь15Те3) ~ 0,2эВ). Большая ширина запрещенной зоны способствует подавлению биполярной проводимости, что положительно сказывается на значении термоэлектрической добротности. Для полупроводниковых составов ^-типа удалось достичь серьезной оптимизации свойств (2Т~1,4), в то время как для твердых растворов с селеном значение термоэлектрической добротности остается около 2Т<1 (для производительной работы термоэлектрического модуля дырочная и электронная ветвь должны быть обе максимально эффективно оптимизированы). В таблице 1.1 приведены значения термоэлектрической добротности некоторых составов твердых растворов.

Таблица 1.1 - Термоэлектрические свойства твердых растворов на основе теллурида висмута

Состав Тип Термоэлектрическая Рабочая

проводимости добротность температура, К

В12Те3 Дырочный 1 400

В12Те3 Электронный 0,62 400

В12Те2,7Бе0,3 Электронный 1 400

В1с.5БЬ1.5Те3 Дырочный 1,2 363

В1с.4БЬ1.бТе3 Дырочный 1,13 373

В1с.3БЬ1.7Те3 Дырочный 1,3 380

В12Те2.4Бе0.б Электронный 0,65 330

Легирование теллурида висмута редкоземельными элементами.

Попытки оптимизации состава теллурида висмута методом легирования редкоземельными элементами также широко распространены [31-45]. Последние исследования показывают, что легирование редкоземельными элементами является достаточно эффективным способом увеличения термоэлектрической эффективности Bi2Te3 (рис. 1.7).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Васильев Алексей Евгеньевич, 2020 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Seebeck, H. Magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperatur Differenz. - Abhandl [Text] / H. Seebeck // Königl. Akad. Wiss. Berlin, Phys. Kl. -1825. - P. 265-373.

2. Peltier, M. Nouvelles experiences sur la caloricité des courants électriques [Text] / M. Peltier // Ann. Chimie Phys. - 1883. - P.371-386.

3. Thomson, W. On thermo-electric currents in the linear conductors of crystalline substance [Text] / W. Thomson // Trans. Roy. Soc. Edinburg. - 1857. - Vol.21. -part 1. - P.153-159.

4. Ioffe, A.F. Semiconductor thermoelements and thermoelectric cooling [Text] / A.F. Ioffe // Infosearch Ltd. - London, 1957.

5. Анатычук, Л.И. Физика термоэлектричества [Текст] / Л.И. Анатычук // Т. 1, Украина, г. Черновцы, изд-во «Букрек», 2008. - 388 с.

6. Шевельков А.В. Химические аспекты создания термоэлектрических материалов [Текст] / А.В. Шевельков //Успехи химии. - 2008. - Т 77. - № 1. -С. 3-21.

7. Дмитриев, А.В. Современные тенденции развития физики термоэлектрических материалов [Текст] / А. В. Дмитриев, И.П. Звягин // УФН. - 2010. - Т.180. № 8. - С. 821-838.

8. Tritt, T. M. Thermoelectric materials, phenomena, and applications: a bird's eye view [Text] / T.M. Tritt, M.A. Subramanian // MRS Bulletin. - 2006. - Vol. 31. -P. 188-198.

9. Гольцман, Б.М. Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе Bi2Te3 [Текст] / Б.М. Гольцман, В.А. Кудинов, И.А. Смирнов. М. // Наука, 1972. - 320 с.

10. Булат, Л.П. Термоэлектрическое охлаждение [Текст] / Л.П. Булат // Текст лекций. - СПб.: СпбГУНиПТ, 2002. - 147 с.

11. Rowe, D. M. CRC handbook of thermoelectrics / D. M. Rowe // CRC Press LLC, 1995. - 666 p.

12. Satterthwaite, C. B., Ure Jr R. W. Electrical and thermal properties of Bi2Te3 //Physical Review. - 1957. - T. 108. - №. 5. - C. 1164

13. Kim, D. H. Influence of powder morphology on thermoelectric anisotropy of spark-plasma-sintered Bi-Te-based thermoelectric materials //Dong Hwan Kim, Cham Kim, Seong Hyeon Heo, Hoyoung Kim // Acta Materialia - 2011. - Vol. 59. - P. 405-411.

14. Han, L. Effects of Spark Plasma Sintering Conditions on the Anisotropic Thermoelectric Properties of Bismuth Antimony Telluride / L. Han, S. H. Spangsdorf, N. V. Nong, L. T. Hung, Y. B. Zhang, H. N. Pham, Y. Z. Chen, A. Roch, L. Stepien, N. Prydsa // RSC Adv. - 2016. - Vol. 6. - P. 59565-59573.

15. Zhang, Y. Evolution of thermoelectric properties and anisotropic features of Bi2Te3 prepared by high pressure and high temperature/ Yuewen Zhang, Xiaopeng Jia, Le Deng, Xin Guo, Hairui Sun, Bing Sun, Binwu Liu, Hongan Ma // Journal of Alloys and Compounds - 2015. - Vol. 632. - P. 514-519.

16. Tang, X. Preparation and thermoelectric transport properties of highperformance p-type Bi2Te3 with layered nanostructure / X. Tang et al. // Applied physics letters. - 2007. - Vol. 90. - №. 1. - P. 12102-12102.

17. Rarans'kyy, M. D. Anisotropy of Binding Forces in Doped Bi2Te3 Single Crystals / M. D. Rarans'kyy, V. N. Balazyuk, M. I. Mel'nyk // METALLOFIZIKA I NOVEISHIE TEKHNOLOGII. - 2010. - Vol. 32. - №. 12. - P. 1705-1713.

18 Zou, P. Huang, Effect on high pressure sintering and annealing on microstructure and thermoelectric properties of nanocrystalline Bi2Te2.7Se0.3 doped with Gd / P. Zou, G. Xu, S. Wang, P. Chen, F. Huang, // Progress in Natural Science: Materials International - 2014. - Vol. 24. - P. 210-217.

19. Jacquot, A. et al. Coupled theoretical interpretation and experimental investigation of the lattice thermal conductivity of Bi2Te3 single crystal / A. Jacquot et al. //AIP Conference Proceedings. - AIP, - 2012. - Vol. 1449. - №. 1. -P. 61-64.

20. Abdullaev, N. A. Conductivity anisotropy in the doped Bi2Te3 single crystals /

N. A. Abdullaev et al. // Semiconductors. - 2009. - Vol. 43. - №. 2. - P. 145-151.

21. Nassary, M. M., Semiconductor parameters of Bi2Te3 single crystal / M. M. Nassary, H. T. Shaban, M. S. El-Sadek // Materials Chemistry and Physics. - 2009. - Vol. 113. - №. 1. - P. 385-388.

22. Watson, M. D. Study of the structural, electric and magnetic properties of Mn-doped Bi2Te3 single crystals / M. D. Watson et al // New Journal of Physics. -2013. - Vol. 15. - №. 10. - P. 103016.

23. Dennis, J. Anisotropy of Thermoelectric Power in Bismuth Telluride / J.Dennis // Tech. Rep. 377, Massachusetts Institute of Technology, 1961. - P. 52.

24. Ahmad, K. Enhanced Thermoelectric Performance in n-Type Bi2Te3-Based Alloys via Suppressing Intrinsic Excitation / Kaleem Ahmad, C. Wan, M.A. Al-Eshaikh, A.N. Kadachi // Applied Surface Science - 2019. - Vol. 474. - P. 2-8.

25. Fan, X Characterization and thermoelectric properties of Bi04Sb16Te3 nanostructured bulk prepared by mechanical alloying and microwave activated hot pressing / Xian Fan, Fan Yang, Zhenzhou Rong, Xinzhi Cai, Guangqiang Li // Ceramics International - 2015. - Vol. 41. - 5. - Part B. - P. 6817-6823.

26. Yang, J. Y. et al. Thermoelectric properties of n-type (Bi2Se3)x(Bi2Te3)i-x prepared by bulk mechanical alloying and hot pressing //Journal of alloys and compounds. - 2000. - Т. 312. - №. 1. - С. 326-330.

27. Poudel, B. High-thermoelectric performance of nanostructured bismuth antimony telluride bulk alloys / Poudel B, Hao Q, Ma Y, Lan Y, Minnich A, Yu B, Yan X, Wang D, Muto A, Vashaee D, Chen X, Liu J, Dresselhaus M S, Chen G and Ren Z // Science - 2008. - Vol. 320. - P. 634-638.

28. Ivanova L. D. et al. Melt-spun materials based on an n-type Bi2Te27Se03 solid solution //Inorganic Materials. - 2015. - Vol. 51. - №. 7. - P. 741-745.

29. Ivanova L. D. et al. Thermoelectric and mechanical properties of the Bi0.5Sb1.5Te3 solid solution prepared by melt spinning // Inorganic Materials. -2013. - Vol. 49. - №. 2. - P. 120-126.

30. Кутасов, В.А. Термоэлектрические свойства твердых растворов n-Bi2Te3-x-

ySexSy в интервале температур 300-450К / Кутасов В.А., Лукьянова Л.Н. // Материалы IX Межгосударственного семинара "Термоэлектрики и их применения" - СПб.: ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2004.

31. Yang, J. Thermoelectrical properties of lutetium-doped Bi2Te3 bulk samples prepared from flower-like nanopowders / F. Wu, Z. Zhu, L. Yao, H. Song, X. Hu // J. Alloys Compd. - 2015. - Vol. 619. - P. 401-406.

32. Wu, F. Effect of Ce, Y and Sm on the thermoelectric properties of Bi2Te3 alloy / F. Wu, H. Song, J. Jia, X. Hu // Prog. Nat. Sci. Mater. Int. - 2013. - Vol.23. -N.4. - P. 408.

33. Wu, F. Thermoelectric properties of rare earth-doped «-type Bi2Se0.3Te2.7 nanocomposites / F. Wu, H. Song, J. Jia, X. Hu // Bull. Mater. Sci. - 2014. -Vol.37. - N.5. - P. 1007-1012.

34. Ji, X.H. Synthesis and properties of rare earth containing Bi2Te3 based thermoelectric alloys / X.H. Ji, X.B. Zhao, Y.H. Zhang, B.H. Lu, H.L. Ni // J. Alloys Compd. - 2005. - Vol.387. - P.282-286.

35. Wu, F. Preparation and thermoelectric properties of flower-like nanoparticles of Ce-doped Bi2Te3 / F. Wu, W. Shi, X. Hu // Electron. Mater. Lett. - 2015. -Vol.11. - N.1. - P.127-132.

36. Ji, X.H. Solvothermal synthesis and thermoelectric properties of lanthanum contained Bi-Te and Bi-Se-Te alloys / X.H. Ji, X.B. Zhao, Y.H. Zhang, B.H. Lu, H.L. Ni // Mater. Lett. - 2005. - Vol.59. - N.6. - P.682-685.

37. Wu, F. Thermoelectric properties of Ce-doped n-type CexBi2-xTe2.7Se0.3 nanocomposites / F. Wu, H.Z. Song, J.F. Jia, F. Gao, Y.J. Zhang, X. Hu // Phys. Stat. Sol. A. - 2013. - Vol.210. - N.6. - P.1183-1189.

38. Abdullayev, A.N. Effect of doping with rare-earth elements (Eu, Tb, Dy) on the conductivity of Bi2Te3 layered single crystals / N. A. Abdullayev, K. M. Jafarli, Kh. V. Aliguliyeva, L. N. Aliyeva, S. Sh. Kahramanov, S. A. Nemov // Semiconductors. - 2017. - Vol.51. - P. 942-946.

39. Cao, X. Preparation of Er-doped (Bi2Te3)0.90(Sb2Te3)0.05(Sb2Se3)0.05 by

mechanical alloying and its thermoelectric properties / X. Cao, J. Xin, Y. Wang, J. Hu, X. Qu, W. Sun // Materials Science and Engineering B. - 2014. - Vol.188. - P. 54-58.

40. Kim, B.S. Thermoelectric properties of Bi2Te3 material doped with lanthanum by mechanical alloying / B.S. Kim, H.-S. Dow, M.-W. Oh, S.-D. Park, H.-W. Lee, D.-S. Bae // Synthesis and Reactivity in Inorganic, Metal-Organic, and Nano-Metal Chemistry. - 2008. - Vol. 38. - P.143-147.

41. Zhao, X.B. Solvothermal synthesis of nano-sized LaxBi(2-X)Te3 thermoelectric powders X.B. Zhao, Y.H. Zhang, X.H. Ji //Inorg. Chem. Commun. - 2004. - Vol. 7. - P .386-388.

42. Ivanov, O.N. Electric field effect on variable-range hopping conductivity in Bi1.9Lu0.1Te3 / O.N Ivanov, M.N. Yaprintsev, E.P. Danshina // Physica B: Condensed Matter. - 2018. - Vol. 545 - P. 222-227.

43. Ivanov, O.N. Enhancement of thermoelectric efficiency in Bi2Te3 via rare earth element doping / O.N Ivanov M.N Yaprintsev, R.A Lyubushkin, O.N Soklakova // Scripta Materialia - 2000. - Vol. 146 - P. 91-94.

44. Ivanov, O.N. Variable-range hopping conductivity in Lu-doped Bi2Te3 / O.N Ivanov, M.N Yapryntsev // Solid State Sciences. - 2018. - Vol. 76 - P. 111-117.

45. Ivanov, O.N. Mechanisms of thermoelectric efficiency enhancement in Lu-doped Bi2Te3 / O.N Ivanov, M.N Yapryntsev // Materials Research Express. -2018. - Vol. 5 - P. - 015905 (1-10).

46. Немов, С.А. Примесь таллия в халькогенидах свинца: методы исследования и особенности / С.А. Немов, Ю.И. Равич // УФН. - 1998. -Т.168 - C. 817-842.

47. Susumu, M. Texture and thermoelectric properties of hot-extruded Bi2Te3 compound / M. Susumu, S Yasunori, F. Katsushi, N. Keio, I. Keisuke. // Materials Science and Engineering A. - 2000. - Vol. 277 - P. 244-249.

48. Yan, X. Experimental studied on anisotropic thermoelectric properties and structures of n-type Bi2Te2.7Se03 / X. Yan, B. Poudel, W.S. Liu, G. Joshi, H. Wang,

Y. Lan, D. Wang, G. Chen, and Z.F. Ren // Nano Lett. - 2010. - Vol. 10 - P.3373-3378.

49. Zhao, L. Enhanced thermoelectric and mechanical properties in textured n-type Bi2Te3 prepared by spark plasma sintering / Zhao L., Zhang B., Zhang L., Liu W // Solid State Sciences - 2008. - Vol. 10 (5). - P. 651-658

50. Deng, Y. Solvothermal preparation and characterization of nanocrystalline Bi2Te3 powder with different morphology / Y. Deng, X.S. Zhou, G.D. Wei, J. Liu, C.W. Nan, S.J. Zhao // J. Phys. Chem. Solids. - 2002. - Vol.63. - P. 2119-2122.

51. Xu, Y. Hydrothermal synthesis of single-crystalline Bi2Te3 nanoplates / Y. Xu, Z. Ren, W. Ren, G. Cao, K. Deng, Y. Zhong // Mater. Lett. - 2008. - Vol. 62. - P. 4273-4265.

52. Zhao, X.B. Effect of solvent on the microstructures of nanostructured Bi2Te3 prepared by solvothermal synthesis / X.B. Zhao, X.H. Ji, Y.H. Zhang, B.H. Lu // J. Alloys. Compd. - 2004. - Vol. 368. - P. 349-352.

53. Zhao, X.B. Hydrothermal synthesis and microstructure investigation of nanostructured bismuth telluride powder / X.B. Zhao, X.H. Ji, Y.H. Zhang, G.S. Cao, J.P. Tu // Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. - 2005. - Vol. 80. - P. 15671571.

54. Chen, S. Synthesis via a microwave-assisted wet chemical method and characterization of Bi2Te3 with various morphologies / S. Chen, K. Cai, S. Shen // J. Electron. Mater. - 2016. - Vol. 45. - N. 3. - P.1425 - 1432.

55. Хасанов, О.Л. Методы компактирования и консолидации наноструктурных материалов и изделий: Учебник / О.Л. Хасанов, Э.С. Двилис, З.Г. Бикбаева - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008. - 212 с.

56. Aydin, I. Modeling of Powder Compaction: A Review / I. Aydin, B.J. Briscoe, N. Ozkan // MRS Bulletin. - 1997. - Vol.22. - N.12. - P.45 - 51.

57. Степанчук, А.М. Закономерности прессования порошковых материалов / А.М. Степанчук. - Киев: НМК ВО, 1992. - 176 с.

58. Болдин, М.С. Физические основы технологии электромпульсного плазменного спекания: учеб.-метод. Пособие / М.С. Болдин. - Нижний Новгород: Нижегород. Гос. ун-т., 2012. - 59 с.

59. Suarez, G. Effect of starting powders on the sintering of nanostructured ZrO2 ceramics by colloidal processing / G. Suarez, Y. Sakka, T. Suzuki, T. Uchikoshi1.,X. Zhu, E. Aglietti // Science and Technology of Advanced Mater. -2009. - Vol. 10. - N 2. - Р.68-76.

60. Deng, X.Y. Preparation of nanocrystalline BaTiO3 ceramics / X.Y. Deng, D.J. Li, J.B. Li, X. H.Wang, L.T. Li // Science in China. Ser. E: Technological Sciences. - 2009. - Vol. 52. -N 6. - Р.1730-1734.

61. Guillon, O. Field-Assisted Sintering Technology/Spark Plasma Sintering: Mechanisms, Materials, and Technology Developments / O Guillon, J GonzalezJulian, B Dargatz, T Kessel, G Schierning, J Rathel, M Herrmann // Advanced engineering materials. - 2014. - Vol. 16. - N7. - P.830 - 849

62. Хасанов, А. О. Разработка составов и технологии спарк-плазменного спекания керамических материалов, композитов на основе микро- и нанопорошков B4C: дис. канд. техн. наук: 05.17.11: защищена 26.01.2016 / Хасанов, Алексей Олегович. - Томск, 2015. - 201 с.

63. Carslaw, H.S. Conduction of heat in solids / H.S. Carslaw, J.C. Jaeger. -Oxford: Clarendon Press, 1959. - 517 p.

64. Нищев, К. Н. Измерение температуропроводности тонких металлических слоев методом лазерной вспышки / К. Н. Нищев, М. И. Новопольцев, В. И. Беглов, М. А. Окин, Е. Н. Лютова // Изв. Ран. Cер. физ.-мат. наук. - 2015. -T.36. - №4. - С.101 - 110.

65. Parker, W. J. Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity / W. J. Parker, R. J. Jenkins, C. P. Butler, G. L. Abbott // J. Appl. Phys. - 1961. - Vol. 32. - № 9. - P.1679-1684.

66. Humphreys, F.J. Recrystallization and related annealing phenomena / F.J. Humphreys, M. Hatherly // ELSEVIER Ltd The Boulevard, Langford Lane Kidlington, Oxford OX5 1GB, UK. - 2004. - p. 574.

67. Lotgering, F.K. Topotactical reactions with ferrimagnetic oxides having hexagonal crystal structures / F.K. Lotgering // I, J. Inorg. & Nucl. Chem. - 1959. - Vol. 9. - P. 113-123.

68. Vareka, W.A. Linear temperature dependent resistivity ant constant volume in Rb3C60, / W.A. Vareka and A. Zettl // Phys. Rev. Lett. - 1994. - Vol.72 - P. 41214124.

69. Scherrer, H. Bismuth telluride, antimony telluride and their solid solutions, / H. Scherrer, S. Scherrer // CRC Handbook of Thermoelectrics; Rowe, D.M., Ed.; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 1995.

70. Caillat, T. Thermoelectric properties of (BixSb1-x)2Te3 single crystal solid solutions grown by the T.H.M. method / T. Caillat, M. Carle, P. Pierrat, H. Scherrer, and S. Scherrer // J. Phys. Chem. Solids. - 1992. - Vol.53. - P. 11211129.

71. Kasap, S. Handbook of Electronic and Photonic Materials / S. Kasap, C. Koughia, H. Ruda, and R. Johanson // Springer, Berlin, 2006.

72. Scherrer, H. Thermoelectric properties of bismuth antimony telluride solid solutions / H. Scherrer, S. Scherrer // Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano; Rowe, D.M., Ed.; CRC Taylor and Francis: Boca Raton, FL, USA, 2012.

73. Lukas, K.C. Transport properties of Ni, Co, Fe, Mn doped Cu0.01Bi2Te2.7Se0.3 for thermoelectric device applications / K.C. Lukas, W.C. Liu, Z.F. Ren, C.P. Opeil // J. Appl. Phys. - 2012. - Vol.112. - P. 054509.

74. Liu, W. Recent advances in thermoelectric nanocomposites / W. Liu, X. Yan, G. Chen, and Z. Ren // Nano Energy. - 2012. - Vol. 1 - P. 42-56.

75. Blakemore, J.S. Solid State Physics / J.S. Blakemore. - Second Edition, Cambridge University Press, Cambridge, 1985.

76. Nolas, G.S. Thermoelectrics Basic Principles and New Materials

Developments / G.S. Nolas, J. Sharp, and H.J. Goldsmid - Springer, Berlin, 2001.

77. Ben-Yehuda, O. Highly textured Bi2Te3-based materials for thermoelectric energy conversion/ O. Ben-Yehuda, R. Shuker, Y. Gelbstein, Z. Dashevsky, and M.P. Dariel // J. Appl. Phys. -2007. - Vol. 1 - P. 113707.

78. Shen, J.J The texture related anisotropy of thermoelectric properties in bismuth telluride based polycrystalline alloys / J.J. Shen, L.P. Hu, T.J. Zhu, and X.B. Zhao // Appl. Phys. Lett. - 2011. - Vol. 99 - P. 124102.

79. Jiang, J. Fabrication and thermoelectric performance of textured n-type Bi2(Te,Se)3 by spark plasma sintering,/ J. Jiang, L. Chen, S. Bai, Q. Yao, and Q. Wang // Materials Science and Engineering B. - 2005. - Vol. 117 - P. 334-338.

80. Lognon, Q. Quantitative texture analysis of spark plasma textured n-Bi2Te3 / Q. Lognon, F. Gascoin, O.I. Lebedev, L. Lutterotti, S. Gascoin, and D. Chateigner // J. Am. Ceram. Soc. - 2014.- Vol.97. - P. 2038-2045.

81. Minnich, A.J. Bulk nanostructured thermoelectric materials: current research and future prospects / A.J. Minnich, M.S. Dresselhaus, Z.F. Ren, G. Chen //, Energy Environ. Sci. -2009. - Vol. 2. - P. 466-479.

82. Bulusu, A. Review of electronic transport models for thermoelectric materials / A. Bulusu, D.G. Walker // Superlattices and Microstructures. -2008. - Vol. 44 - P. 1-36.

83. Pavlova, L.M. Thermal expansion of bismuth telluride / L.M. Pavlova, Yu.I. Shtern, and R.E. Mironov // High Temperatures. - 2011. - Vol. 49 - P. 369-379.

84. Vasil'ev, A.E. Thermoelectric properties of Bi2 - xLuxTe2.7Se0.3 solid solutions / A. E. Vasil'ev, M. N. Yapryntsev, O. N. Ivanov, M. V. Zhezhu // Semiconductors. - 2019-Vol. 53 - P. 673-677.

85. Vasil'ev, A. Anisotropic thermoelectric properties of Bi1.9Luc.1Te2.7Se0.3 textured via spark plasma sintering / A. Vasil'ev, M. Yaprintsev, O. Ivanov, E. Danshina. // Solid State Sciences. - 2018. - Vol. 84. - P.-28-43.

86. Васильев, А.Е. Термоэлектрические свойства твердых растворов Bi2Te2,7Se0,3, легированных тулием / А.Е. Васильев, М.Н. Япрынцев, О.Н.

Иванов, М.В. Жежу, Ю.А. Неручев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии -2018.- Т.8 -№ 4 - P. 162-170.

87. Fang, H. Thermoelectric properties of solution synthesized «-type Bi2Te3 nanocomposites modulated by Se: an experimental and theoretical study / H. Fang, J.-H. Bahk, T. Feng, Z. Cheng, A.M. Mohammed, X. Wang, X. Ruan, A. Shakouri, Y. Wu, // Nano Research. - 2016. -Vol. 9. - P. 117-127.

88. Lee, J. Disproportionation of thermoelectric bismuth telluride nanowires as a result of the annealing process / J. Lee, A. Berger, L.U. Cagnon, U. Gosele, K. Nielsch, J. Lee // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2010. - Vol. 12. - P. 15247-15250.

89. Lost'ak, P. Defects in Bi2Te3-xSex single crystals / P. Lost'ak, C. Drasar, D. Bachan, L. Benes, A. Krejcova // Radiation Effects and Defects in Solids. - 2010. - Vol. 165. -P. 211-215.

90. Jia, Y.Q. Crystal radii and effective ionic radii of the rare earth ions / Y.Q. Jia // J. Sol. State. Chem. - 1991. - Vol. 95. - P. 184 - 187.

91. Burke, J. Recrystallization and grain growth / J. Burke, D. Turnbull // Prog. Metal. Phys. -1952 - Vol. 3. - P. 220 - 292.

92. Lai, J.K. Grain growth kinetics of nanocrystalline SnO2 for long-term isothermal annealing / J.K. Lai, C.H. Shek, G.M. Lin // Scr. Mater. -2003. -Vol.49 - P. 441-446.

93. Boch, P. Sintering and microstructure of ceramics, in // P. Boch, J.-C. Niepce (Eds.), Ceramic Materials: Processes, Properties and Applications, ISTE Ltd, London, - 2007. - P. 75-77.

94. Y. Pan, Y. Electrical and thermal transport properties of spark plasma sintered n-type Bi2Te3-xSex alloys: the combined effect of point defect and Se content/ Y. Pan, T. R. Wei, C. F. Wu, and J.F. Li, // J. Mater. Chem. C. - 2015. - Vol. 3. -P.10583-10589.

95. Hu, L. Point defect engineering of high-performance bismuth-telluride-based thermoelectric materials / L. Hu, T. Zhu, X. Liu, and X. Zhao //Adv. Funct. Mater.

- 2014. -Vol. 24. - P. 5211-5218.

96. Suh, J. Simultaneous enhancement of electrical conductivity and thermopower of Bi2Te3 by multifunctionality of native defects / J. Suh, K. M. Yu, D. Fu, X. Liu, F. Yang, J. Fan, D. J. Smith, Y. H. Zhang, J. K. Furdyna, C. Dames, W. Walukiewicz, J. Wu // Adv. Mater. - 2015 - Vol. 27. - P. 3681-3686.

97. Neamen, D. A. Semiconductor Physics and Devices / D. A. Neamen -McGraw-Hill New York, 2012.

98. Goldsmid, H.J. Estimation of the thermal band gap of a semiconductor from Seebeck measurements / H.J. Goldsmid, J.W. Sharp // J. Electron. Mater. - 1999. -Vol. 28. - P. 869-872.

99. Wang, S. Conductivity-limiting bipolar thermal conductivity in semiconductors / S. Wang, J. Yang, T. Toll, J. Yang, W. Zhang, X. Tang // Sci. Reports. - 2015. -Vol. 5. - P. 10136.

100. Munir, Z.A. The effect of electric field and pressure on the synthesis and consolidation of materials: A review of the spark plasma sintering method / Z.A. Munir, U. Anselmi-Tamburini, M. Ohyanagi // J. Mater. Sci. - 2006. - Vol. 41. -P. 763-777.

101. Munir, Z.A. Electric current activation of sintering: A review of the pulsed electric current sintering process / Z.A. Munir, D.V. Quach, M. Ohyanagi // J. Am. Ceram. Soc. - 2011. - Vol. 94. - P. 1-19.

102. Sun, Y. Synthesis of y-TiAl by reactive spark plasma sintering of cryomilled Ti and Al powder blend: Part II: Effects of electric field and microstructure on sintering kinetics / Y. Sun, K. Kulkarni, A.K. Sachdev, E.J. Lavernia // Metall. Mater. Trans. A. - 2014. - Vol. 45. - P. 2759-2767.

103. Jiang, D. Spark plasma sintering: a high strain rate low-temperature forming tool for ceramics / D. Jiang, D.M. Hulbert, J.D. Kuntz, U. Anselmi-Tamburini, A.K. Mukherjee // Mater. Sci. Eng. A. - 2007. - Vol. 463. - P. 89-93.

104. Ivanov, O. Grain structure evolution at sintering of the bulk Bi2Te3 nanomaterial under hot pseudo-isostatic pressure / O. Ivanov, O. Soklakova, R.

Lyubushkin, A. Voronin // J. Mater. Sci. - 2016. - Vol. 51. - P. 3415-3421.

105. Aziz, M.J. Pressure and stress effects on diffusion in Si / M.J. Aziz // Defect and Diffusion Forum. - 1998. - Vol 153 - P. 1-10.

106. Park, H. Effect on hydrostatic pressure on dopant diffusion in silicon / H. Park, K.S. Jones, J.A. Slinkman, M.E. // J. Appl. Phys. - 1995. - Vol. 78. - P. 3664-3670.

107. Yapryntsev, M. Influence of the sintering temperature on the thermoelectric properties of Bi19Gd01Te3 compound / M. Yapryntsev, A. Vasiliev, O. Ivanov // Semiconductors. - 2019. - Vol. 53. - P. 620-624.

108. Yapryntsev, M. Sintering temperature effect on thermoelectric properties and microstructure of the grained Bi19Gd01Te3 compound / M. Yapryntsev, A. Vasiliev, O. Ivanov. // Journal of the European Ceramic Society,Vol. - 2019. -Vol. 39. - P. 1193-1205.

109. Vasil'ev, A. Anisotropic thermoelectric properties of Bi19Lu01Te2.7Se0.3 textured via spark plasma sintering / A. Vasil'ev, M. Yaprintsev, O. Ivanov, E. Danshina // Solid State Sciences. - 2018. - Vol. 84. - P. 28-43.

110. Lyubushkin, R.A. Effect of the solvent on the microstructure of Bi2Te3 obtained solvothermal microwave-assisted synthesis / R.A. Lyubushkin, O.N. Soklakova, M.N. Yapryntsev, A.E. Vasiliev, E.P. Danshina, O.N. Ivanov.// Journal of Nano- and Electronic Physics. - 2014. - Vol. 6. (1). - P. 01014.

111. Ivanov, O. Comparative analysis of the thermoelectric properties of the non-textured and textured Bi1.9Gd0.1Te3 compounds / O. Ivanov, M. Yaprintsev, A. Vasil'ev //Journal of Solid State Chemistry. - 2020. - Vol. 290. - P. 121559 (110).

112. Lee, H.K. Grain-size effects and the physical properties of La0.7Cac.3MnO3-s / H.K. Lee, H. Baier, J.S. Park, Y.P. Lee, Y.S. Lee //Key Eng. Mater. - 2005. - Vol 277-279 - P. 929-934.

113. Becton, M. Grain-size dependence of mechanical properties in polycrystalline boron-nitride: a computational study / M. Becton, X. Wang // Phys. Chem. Chem.

Phys. -2015. - Vol.17. - P. 21894-21901.

114. Isacsson, A. Scaling properties of polycrystalline graphene: a review / A. Isacsson, A.W. Cummings, L. Colombo, L. Colombo, J.M. Kinaret, S. Roche // 2D Mater. - 2017. - Vol. 4. - P. 012002 (1-12).

115. Kanatzidis, M.G. Nanostructured thermoelectrics: the new paradigm / M.G. Kanatzidis // Chem. Mater. - 2009. - Vol. 22. - P. 648-659.

116. Chen, Z.G. Nanostructured thermoelectric materials: current research and future challenge / Z.G. Chen, G. Han, L. Yang, L. Cheng, J. Zou // Prog. Nat. Sci. Mater. Int. - 2012. - Vol. 22. - P. 535-549.

117. Vineis, C.J. Nanostructured thermoelectrics: big efficiency gains from small features / C.J. Vineis, A. Shakouri, A. Majumdar, M.G. Kanatzidis // Adv. Mater. -2010. - Vol. 22. - P. 3970-3980.

118. Ivanov, O. Grain size effect on electrical resistivity of bulk nanograined Bi2Te3 material / O. Ivanov, O. Maradudina, R. Lyubushkin // Mater. Charact. -2015. - Vol. 99. - P. 175-179.

119. Kim, W. Strategies for engineering phonon transport in thermoelectrics / W. Kim // J. Mater. Chem. C. - 2015. - Vol. 3. - P. 0336-10348.

120. Choi, D. The electron scattering at grain boundaries in tungsten films / D. Choi // Microelectron. Eng. - 2014. - Vol. 122. - P 5-8.

121. Wu, H. Strong enhancement of phonon scattering through nanoscale grains in lead sulfide thermoelectrics / H. Wu, J. Carrete, Z. Zhang, Y. Qu, X. Shen, Z. Wang, L.D. Zhao, J. He // NPG Asia. Mater. - 2014. - Vol. 6. - P. 2-11.

122. Bahk, J.H. Electron transport modeling and energy filtering for efficient thermoelectric Mg2Si1-xSnx solid solutions / J.H. Bahk, Z. Bian, A. Shakouri // Phys. Rev. B. - 2014. - Vol. 89 - P. 075204 (1-13).

123. Bahk, J.H. Electron energy filtering by a nonplanar potential to enhance the thermoelectric power factor in bulk materials / J.H. Bahk, Z. Bian, A. Shakouri // Phys. Rev. B. - 2013. - Vol.87 - P. 075204-1-13.

124. Xia, Y. High thermoelectric power factor in intermetallic CoSi arising from

energy filtering of electrons by phonon scattering / Y. Xia, J. Park, F. Zhou, V. Ozolin // Phys. Rev. Appl. - 2019. - Vol. 11. - P. 024017-1-8.

125. Булат Л.П. Влияние рассеяния на границах на теплопроводность наноструктурированного полупроводникового материала на основе твердого раствора BixSb2-xTe3 [Текст] / Л.П. Булат, И.А. Драбкин, В.В. Каратаев, В.Б. Освенский, Д.А. Пшенай-Северин // ФТТ. - 2010. - Т. 52. -№ 9. - С. 17121716.

126. Mayadas, A.V. Electrical-resistivity model for polycrystalline films: the case of arbitrary reflection at external surfaces / A.V. Mayadas, M. Shatzkes // Phys. Rev. B. - 1970. - Vol. 1. - P. 1382-1388.

127. Ivanov, O. Anisotropy of the grain size effect on the electrical resistivity of «type Bi1.9Gd0.1Te3 thermoelectric textured by spark plasma sintering / O. Ivanov, M. Yaprintsev, A Vasil'ev. // Journal of the European Ceramic Society. - 2020. -Vol. 40(9) - P. 3431-3436.