Концентраційні аномалії гальваномагнітних властивостей твердих розчинів на основі Sb2Te3 в системі (Bi1-хSbх)2Te3

doi:10.26565/2222-5617-2023-38-05

К.В. Мартинова Національний Технічний Університет "Харківський політехнічний інститут" https://orcid.org/0000-0001-9739-4584
О.І. Рогачова National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute» https://orcid.org/0000-0001-7584-656X

DOI: https://doi.org/10.26565/2222-5617-2023-38-05

Ключові слова: тверді розчини (Bi1-хSbх)2Te3, склад, електропровідність, коефіцієнт Холла, холлівська рухливість, перколяція

Анотація

На сьогодні тверді розчини на основі телуридів сурми та вісмуту є одними з найбільш широко вживаних матеріалів для р- гілок термоелектричних перетворювачів, які використовують при кімнатній температурі і нижче. В даній роботі представлені результати дослідження гальваномагнітних властивостей (електропровідності σ, коефіцієнта Холла R_H, холлівської рухливості носіїв заряду μ_H) термоелектричних твердих розчинів (Bi_1-хSb_х)₂Te₃ в інтервалі складів поблизу чистого Sb₂Te₃ (х = 1 – 0.96) при температурах Т = 80 К та Т = 300 К.

Дослідження проведено на литих полікристалічних зразках, отриманих методом кристалізації з розплаву з подальшим довгостроковим відпалом у вакуумі при температурі Т = 650 К. Гальваномагнітні властивості вимірювали стандартним dc-методом. Експериментальна комірка охолоджувалась рідким азотом. Похибка при вимірюванні R_H та s не перевищувала ± 5%.

Показано, що введення перших порцій Bi₂Te₃ призводить до різкого зниження σ, що пов’язується із високим ступенем розупорядкування кристалічної решітки. В інтервалі складів х = 0.99 – 0.9825 на концентраційних залежностях σ(х) і μ_H(х) виявлене аномальне зростання σ та μ_H. Наявність таких концентраційних аномалій пов'язується з переходом від розведених до концентрованих твердих розчинів. Висловлено припущення про перколяційну природу зазначеного фазового переходу. В рамках задачі сфер теорії перколяції надана оцінка радіуса деформаційної сфери R₀для атома домішки (Bi). Отримане значення R₀ узгоджується із короткодіючим потенціалом домішки. Встановлено, що положення аномалій σ(х) і μ_H(х) не змінюється при зниженні температури від 300 К до 80 К.

Таким чином, спостереження концентраційних аномалій властивостей для твердого розчину (Bi_1-xSb_x)₂Te₃ в інтервалі складів поблизу чистого Sb₂Te₃ є ще одним підтвердженням гіпотези про універсальний характер поведінки твердих розчинів за малої концентрації домішки. Виявлені аномалії необхідно враховувати при розробці методів підвищення термоелектричної ефективності матеріалів шляхом створення твердих розчинів або додавання легуючих компонентів.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

1. M. Mukherjee, A. Srivastava and A .K. Singh, J. Mater. Chem. C, 10, 12524 (2022). https://doi.org/10.1039/D2TC02448A
2. C. Uher (ed.), Materials Aspect of Thermoelectricity, CRC Press, Boca Raton, 624 (2016) https://doi.org/10.1201/9781315197029
3. D.M. Rowe, CRC Handbook of Thermoelectrics: Macro to Nano. Boca Raton: CRC Taylor & Francis, (2006). https://doi.org/10.1201/9781420038903
4. J. Wei, L. Yang, Z. Ma, P. Song, M. Zhang, J. Ma [et. al.], J. Mater. Sci, vol. 5512642+ (2020). https://doi.org/10.1007/s10853-020-04949-0
5. M. Goltsman, V.A. Kudinov, and I.A. Smirnov, Semiconducting thermoelectric materials based on Bi2Te3. М.: Nauka (1972) (in Russian).
6. T. Cao, X.-L.Shi, M. Li, B. Hu, W. Chen, W.-D. Liu, et al. eScience, 3(3), 2667 (2023). https://doi.org/10.1016/j.esci.2023.100122
7. X.-L. Shi, J. Zou, and Z.-G. Chen, Chem. Rev., 120 (15), 7399, (2020). https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00026
8. Z. Soleimani, S. Zoras, B. Ceranic, S. Shahzad, Y. Cui Sustain., 37, 2213 (2020). https://doi.org/10.1016/j.seta.2019.100604
9. J. Zhang, C.-Z. Chang, Z. Zhang, J. Wen, X. Feng and K. Li, Nat. Commun., 2:574 (2011). https://doi.org/10.1038/ncomms1588
10. V.A. Kulbachinsky, H. Ozaki, Y. Miyahara and K. Funagai, JETP, 97(6), 1212 (2003). https://doi.org/10.1134/1.1641903
11. N.Kh. Abrikosov, L.V. Poretskaya, and I.E Ivanova,"The Antimony-Tellurium System" Russ. J. Inorganic Chem., vol. 4(11), 2525 (1959). (іn Russian)
12. B. Roy, B.R. Chakraborty, R. Bhattacharya, A.K. Dutta, Solid State Commun, 25, 617 (1978). https://doi.org/10.1016/0038-1098(78)91503-X
13. L.R. Testardi, J.N. Bierly and F.J. Donahoe, J Phys Chem Solids, 23, 1200 (1962). https://doi.org/10.1016/0022-3697(62)90168-3
14. H.-W. Jeon, H.-Ph. Ha, D.-B. Hyun and J.-D. Shim, J. Phys. Chem. Solids, 52(4), 579 (1991). https://doi.org/10.1016/0022-3697(91)90151-O
15. L.D. Ivanova, Yu.V. Granatkina, Inorg. Mater., 36, 672, (2000). https://doi.org/10.1007/BF02758419
16. K Martynova, E. Rogacheva, Funct Mater, 25(1), 54 (2018). DOI:10.15407/fm25.01.054
17. E.I.Rogacheva, K.V. Martynova and A.S. Bondarenko, J. Thermoelectr, 5, 47 (2016).
18. E.I. Rogacheva , J. Thermoelectr, 2, 61 (2007).
19. E.I. Rogacheva, O.N. Nashchekina, “Percolation Effects in Semiconductor IV-VI – based Solid Solutions and Thermoelectric Materials Science.” In: Advanced Thermoelectric Materials, Ed. Ch.R. Park, 2019, John Willey & Sons (2019) 383. DOI:10.1002/9781119407348.ch9
20. B.I. Shklovskii, A.L. Efros, Electronic Properties of Doped Semiconductors, Springer-Verlag, New York, (1984) 388 p. https://doi.org/10.1007/978-3-662-02403-4
21. D. Stauffer, A. Aharony, Introduction to Percolation Theory, Taylor & Francis, London/Washington DC (1992), 192 p. https://doi.org/10.1201/9781315274386