Коллектив учёных из «Сколтеха», Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН и других научных организаций России и Израиля изучил, как добавление примесей в термоэлектрический материал теллурид свинца может повлиять на механические свойства этого материала и продлить срок службы термоэлектрического генератора. Исследования уже опубликованы в журнале Applied Physics Letters, рассказали информационной службе Хабра в пресс‑службе «Сколтеха».
b) Функция локализации электронов легированного теллурида свинца
По оценкам учёных, на отработанное тепло, попадающее в окружающую среду и не используемое, приходится 70% потерь глобального потребления энергии. С помощью особых полупроводников, состоящих из термоэлектрических материалов, рассеиваемое тепло можно преобразовывать в электроэнергию. Это позволяет использовать тепло, выделяемое при сгорании топлива, для генерации электричества. Такие термоэлектрики могут использоваться для создания устройств охлаждения, что помогает снизить потребление энергии в бытовых и промышленных приложениях.
Илья Чепкасов
Первый автор работы, старший научный сотрудник Проектного центра по энергопереходу в «Сколтехе»
«Теллурид свинца применяется на газопроводах на Ямале, чтобы обеспечить работу различных датчиков. Провести линии электропередачи туда невозможно, а за дизельными двигателями нужно постоянно следить. Поэтому от газопровода отводят небольшие трубки, в которых горит газ. С помощью термоэлектрического материала тепло от горящего газа преобразуется в электроэнергию, которой достаточно, чтобы работали датчики».
По словам исследователей из «Сколтеха», у такого материала есть и недостатки, например, он может разрушаться при контакте с другими материалами с отличными (от озвученного материала) коэффициентами теплового расширения. Лёгкость разрушения может зависеть от легирования. Легирование — это процесс добавления примесей в кристаллическую структуру полупроводника для изменения его электрических и термоэлектрических свойств, создания управляемой и предсказуемой проводимости.
Есть два вида легирования полупроводников. Легирование n‑типа приводит к получению полупроводника, где основными носителями заряда будут электроны. Результатом легирования p‑типа будет полупроводник, где основную роль в передаче заряда выполняют места, образующиеся в электронной связи после выхода электрона, имеющие положительный заряд и ведущие себя как положительные частицы.
Группа учёных показала, что химическая связь n-типа в материале ослабевает за счёт заполнения разрыхляющих орбиталей. Это приводит к получению более пластичного материала. При термическом расширении вероятность деградации такого материала ниже, чем в p-типе.
Как рассказал первый автор работы, старший научный сотрудник Проектного центра по энергопереходу в «Сколтехе» Илья Чепкасов, в зависимости от типа допирования механические свойства материала могут изменяться по-разному. В n-типе механические свойства незначительно зависят от концентрации допантов, а в p-типе наблюдается значительный рост твёрдости материала. Допант – это модифицирующая добавка, повышающая удельную электрическую проводимость или оптические свойства материала, добавляемая в малых концентрациях.
Исследователи изучили причину такого поведения и обнаружили, что в результате допирования n-типа на разрыхляющей орбитали появляется лишний электрон. Из-за этого материал становится более пластичным. При допировании p-типа наоборот — связь становится более жёсткой, а материал более хрупким. Учёные предполагают, что результаты нового исследования помогут подобрать допант, позволяющий улучшить механические свойства теллурида свинца и увеличить долговечность термоэлектрического генератора.
