Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В отчетном году была разработана лабораторная технология получения экспериментальных образцов нанокомпозитов на основе: 1) матрицы из низкотемпературного термоэлектрика (теллурид висмута Bi2Te3) и магнитного наполнителя из элементарных d- и f-металлов (Fe, Ni, Co, Gd, Sm и др.); 2) матрицы на основе сплавов Гейслера Fe2TiSn, Fe1.5TiSb, Ti0.5Zr0.25Hf0.25NiSn и FeNb0.85Ti0.15Sb, и твердых растворов Si-Ge, и MnTe в качестве наполнителя; всего синтезировано 5 серий объемных композитов на основе вышеозвученных соединений. Основными технологическими операциями являются синтез исходных порошков материалов матрицы и наполнителя композита, их перемешивание до однородного состояния, искровое плазменное спекание смеси порошков и подготовка образцов для исследования термоэлектрических свойств, изучения эффекта Холла, установление особенностей микроструктуры и фазового состава. Для всех образцов были проведены рентгенофазовый и микрорентгеноспектральный анализы, исследования микроструктуры. Проведен анализ полученных результатов. Установлены закономерности и особенности фазового и элементного состава образцов в зависимости от содержания MnTe. Установлены закономерности микроструктуры композитов, которая может быть представлена как включения (в зависимости от типа наполнителя, это могут быть включения типа «ядро-оболочка», например Co@CoTe2, или включения без внутренней структуры), случайным образом распределенные внутри поликристаллической текстурированной матрицы. Для композитов определены параметры, как самой матрицы, так и включений. На примере композита Bi2Te3+0,5 ат. % Gd показано, что введение магнитного наполнителя может увеличивать термоэлектрическую добротность материала. Полученные экспериментальные образцы композитов на основе теллурида висмута с магнитным наполнителем различных типов предназначены и на основе сплавов Гейслера и SiGe с наполнителем MnTe для установления закономерностей и механизмов изменения термоэлектрических свойств (тип, концентрация и Холловская основных носителей тока, электропроводность, коэффициент Зеебека, фактор мощности, полная теплопроводность с вкладами от фононной теплопроводности, теплопроводности носителей заряда, биполярной теплопроводности, термоэлектрическая добротность) образцов разрабатываемых материалов в зависимости от типа и концентрации магнитного наполнителя.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В отчетном году проанализированы особенности влияния концентрации наполнителя на термоэлектрические свойства композитов с магнитоактивным наполнителем, включения которого имеют внутреннюю структуру включения как типа «ядро-оболочка» (композиты систем Bi2Te2,7Se0,3+Fe, Bi2Te2,7Se0,3+Ni, Bi2Te2,7Se0,3+Co), так и включения без внутренней структуры (композит системы Bi2Te3+Gd, композиты на основе сплавов Гейслера, твердых растворов Si-Ge и MnTe в качестве наполнителя). Все термоэлектрические свойства, включая удельное электрическое сопротивление, коэффициент Зеебека и общую теплопроводность разрабатываемых композитов оказались зависящими от содержания наполнителя. Так как все образцы на основе теллуридов висмута были текстурированными, термоэлектрические свойства также были анизотропными, т.е. существенно отличались при измерении в направлениях, перпендикулярных (перпендикулярная ориентация измерения) и параллельных (параллельная ориентация измерения) оси текстуры (направлению приложения давления во время искрового плазменного спекания). Анизотропия транспортных свойств текстурированных образцов связана с перераспределением вкладов анизотропных свойств в удельное электрическое сопротивление и полную теплопроводность, измеренные параллельно или перпендикулярно к оси текстуры. В случае композитов с включениями наполнителя, не имеющими внутренней структуры, особенности термоэлектрических свойств зависят как от типа наполнителя, так и от матрицы. Для композитов системы Bi2Te2,7Se0,3+Gd при увеличении содержания наполнителя удельное электрическое сопротивление и полная теплопроводность постепенно уменьшаются, а коэффициент Зеебека слабо зависит от содержания наполнителя. Для композитов на основе низкотемпературного термоэлектрика Fe2TiSn с наполнителем MnTe, увеличение массовой доли теллурида марганца MnTe приводит к снижению абсолютных значений тепло- и электрофизических величин. Таким образом, использование MnTe в качестве магнитного наполнителя в матрице Fe2TiSn не имеет положительного эффекта на термоэлектрическую добротность. Синтез и изучение сплава FeVSb, легированного Sn и Co, предпринятые с целью исследования возможности формирования in situ наноразмерных когерентных включений магнитного сплава Гейслера Co2VSn в матрице полупроводникового FeVSb, показали, что формирование вторичных фаз антимонидов ванадия (V3Sb2, VSb2, V3Sb), которые обладают металлическим характером электропроводимости, приводит к резкому (на порядок) увеличению электропроводности и снижению коэффициента Зеебека, что связано с увеличением концентрации носителей заряда из-за вклада примесных фаз антимонидов ванадия. Все образцы демонстрируют металлический вид температурной зависимости электропроводности, а отрицательные значения коэффициента Зеебека свидетельствуют о электронном типе проводимости в материале.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе выполнения работ за отчетный период было установлено: 1. Изменение термоэлектрических свойств композитов систем Bi2Te2,7Se0,3+Fe, Bi2Te2,7Se0,3+Ni, Bi2Te2,7Se0,3+Co с включениями, имеющими внутреннюю структуру «ядро-оболочка», связано со следующими факторами: 1) изменением концентрации электронов, что связано с изменением внутренней структуры включений Fe@FeTe2, Ni@NiTe2, и Co@CoTe2 в композитах систем Bi2Te2,7Se0,3+Fe, Bi2Te2,7Se0,3+Ni, Bi2Te2,7Se0,3+Co, соответственно; 2) рассеянием электронов и фононов на включениях; 3) рассеянием электронов на магнитных моментах ферромагнитных «ядер» включений. 2. Исходные включения Co, распределенные внутри матрицы Bi2Te2.1Se0.9 в композите Bi2Te2.1Se0.9+0,33 мас.% Co, можно рассматривать как систему легирующих источников Co, выступающих в качестве донорных примесей. При высокотемпературном искровом плазменном спекании (ИПС) исходных порошков Bi2Te2.1Se0.9 и Co происходит диффузия легирующих атомов Co, формирующая градиентное распределение атомов Co. Этот диффузионный процесс определяется температурой ИПС-процесса. С увеличением TS легирующие атомы Co диффундируют в матрицу Bi2Te2.1Se0.9 на большую глубину. Диффузия Co приводит к двум взаимосвязанным эффектам. Первым эффектом является локально-градиентное легирование Co, обусловленное диффузионным внедрением легирующих атомов Co в кристаллическую структуру Bi2Te2.1Se0.9. Поскольку градиентные распределения атомов Co локализованы в небольших пространственных областях, легирование Co является локально-градиентным. В результате такого легирования концентрация электронов постепенно увеличивается с повышением температуры ИПС. Второй эффект – образование локально-градиентных включений Co@CoTe2. В ходе ИПС-процесса включения Co@CoTe2 постепенно трансформируются из включений с преобладанием ядра во включения с преобладанием оболочки. Увеличивается и срдневзвешенная подвижность электронов. Поведение подвижности может быть связано с рассеянием электронов на магнитных моментах ядер Co во включениях-наполнителях. 3. Выявлены особенности низкотемпературного электросопротивления высокоэнтропийного монокристаллического толстопленочного сплава (Bi2/3Sb1/3)2(Te2/5Se2/5S1/5), свидетельствующие о топологических изоляторах. впервые найден и проанализирован. Первой особенностью является переход от металлического к изолирующему поведению, наблюдаемый на температурной зависимости удельного сопротивления при 32 К. Считается, что изолирующее поведение возникает в результате электрон-электронного взаимодействия между 2D-электронами, существующими в поверхностные проводящие состояния. Второй особенностью является наличие минимумов на несимметричных кривых магниторезистивности. Минимумы, сосредоточенные вокруг нулевых магнитных полей, появляются и становятся более выраженными при охлаждении ниже TC. В диапазоне 10÷25 К температурное поведение длины дефазировки можно описать электрон-электронным рассеянием. Ниже 10 К следует учитывать и другие механизмы рассеяния. Высокоэнтропийные сплавы имеют низкую теплопроводность и могут быть использованы в качестве матрицы термоэлектрических композитов. 4. В случае среднетемпературных термоэлектриков на основе сплавов Гейслера добавление MnTe приводит к повышению электропроводности, однако, если при этом в композитах на основе Ti0.5Zr0.25Hf0.25NiSn теплопроводность остается неизменной, то в композитах на основе Fe1.5TiSb это привело к ее увеличению. В случае высокотемпературных сплавов Гейслера Ti0.5Zr0.25Hf0.25NiSn этот эффект привел к значительному повышению термоэлектрической добротности на 30 %, достигнувшей значения zT = 0,12 при температуре 823 К для образца с номинальным содержанием Ti0.5Zr0.25Hf0.25NiSn + 6 масс. доля, % MnTe. 5. Исследования композитов Si80Ge20B2 + xMnTe (x = 0, 2, 4, 6 масс. доля, %) показали, что электропроводность образцов увеличивается с добавлением MnTe до 4 масс. доля, %, после чего наблюдается снижение в образце с x = 6 масс. доля, %. Коэффициент Зеебека образцов изменяется с увеличением содержания MnTe, причем образцы с более высоким содержанием MnTe обладают более низкими значениями коэффициента Зеебека. Такое влияние может оказывать увеличение концентрации носителей заряда. Теплопроводность образцов также снижается с увеличением содержания MnTe, что может быть связано с увеличением рассеяния фононов на границах раздела матрица/включение. Максимальное значение zT для образца с 4 масс. доля, % MnTe достигает 0,8 при 1000 K, что превосходит показатели чистого Si80Ge20B2. Улучшение zT в композитных образцах связано со снижением теплопроводности.