Получение термоэлектрического наноматериала на основе твердого раствора (Bi, Sb)₂Te₃
Представлен способ получения слабоагломерированного наноразмерного порошка состава (26%мол. Вi₂Te₃ – 74%мол.Sb₂Te₃ ) + 3%мол.Te, основанный на восстановлении оксидов Bi₂O₃, TeO₂, Sb₂O₃ гидразином. Синтезированный порошок состоит из агломератов частиц неправильной сферической и игольчатой формы со ср...
Saved in:
| Date: | 2010 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2010
|
| Series: | Физическая инженерия поверхности |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98904 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Получение термоэлектрического наноматериала на основе твердого раствора (Bi, Sb)₂Te₃ / Р.А. Любушкин, О.Н. Марадудина, О.Н. Иванов, В.В. Сирота // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 3. — С. 271–275. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98904 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-989042025-06-03T16:24:45Z Получение термоэлектрического наноматериала на основе твердого раствора (Bi, Sb)₂Te₃ Любушкин, Р.А. Марадудина, О.Н. Иванов, О.Н. Сирота, В.В. Представлен способ получения слабоагломерированного наноразмерного порошка состава (26%мол. Вi₂Te₃ – 74%мол.Sb₂Te₃ ) + 3%мол.Te, основанный на восстановлении оксидов Bi₂O₃, TeO₂, Sb₂O₃ гидразином. Синтезированный порошок состоит из агломератов частиц неправильной сферической и игольчатой формы со средним размером 20 – 80 нм, размер индивидуальных частиц составляет в среднем ~15 нм. Компактирование порошка методом холодного изостатического прессования и последующий отжиг в атмосфере аргона при температуре 300 °С позволяет получать однородные по составу образцы с размером зерна ~300 нм. Представлено спосіб одержання слабоагломерированного наноразмерного порошку складу (26%мол. Вi₂Te₃ – 4%мол.Sb₂Te₃ ) + 3%мол.Te, заснований на відновленні оксидів Bi₂O₃,TeO₂, Sb₂O₃ гидразином. Синтезований порошок складається з агломератів часток неправильної сферичної й голчастої форми із середнім розміром 20 – 80 нм, розмір індивідуальних часток становить у середньому ~15 нм. Компактування порошку методом холодного ізостатичного пресування й наступний віджиг в атмосфері аргону при температурі 300 °С дозволяє одержувати однорідні по складу зразки з розміром зерна ~300 нм. Method of preparing nanosized weakly agglomerated powder with (26%mol.Вi₂Te₃ – 74%mol.Sb₂Te₃ ) + 3%mol.Te composition is presented in this work. This method is based on reduction of Bi₂O₃, TeO₂, Sb₂O₃ oxides by hydrazine. Synthesized powder consists of agglomerates of particles with spherical and irregular shape. The agglomerate size is in the range of 20 – 80 nm, while the size of individual particles is about 15 нм. Compacting of the powder by cold isostatic pressing with its further annealing in Ar atmosphere at 300 °С allowed us to obtain a homogeneous material with a grain size of about ~300 nm. 2010 Article Получение термоэлектрического наноматериала на основе твердого раствора (Bi, Sb)₂Te₃ / Р.А. Любушкин, О.Н. Марадудина, О.Н. Иванов, В.В. Сирота // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 3. — С. 271–275. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98904 621.362 ru Физическая инженерия поверхности application/pdf Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Представлен способ получения слабоагломерированного наноразмерного порошка состава (26%мол. Вi₂Te₃ – 74%мол.Sb₂Te₃ ) + 3%мол.Te, основанный на восстановлении оксидов Bi₂O₃, TeO₂, Sb₂O₃ гидразином. Синтезированный порошок состоит из агломератов частиц неправильной сферической и игольчатой формы со средним размером 20 – 80 нм, размер индивидуальных частиц составляет в среднем ~15 нм. Компактирование порошка методом холодного изостатического прессования и последующий отжиг в атмосфере аргона при температуре 300 °С позволяет получать однородные по составу образцы с размером зерна ~300 нм. |
| format |
Article |
| author |
Любушкин, Р.А. Марадудина, О.Н. Иванов, О.Н. Сирота, В.В. |
| spellingShingle |
Любушкин, Р.А. Марадудина, О.Н. Иванов, О.Н. Сирота, В.В. Получение термоэлектрического наноматериала на основе твердого раствора (Bi, Sb)₂Te₃ Физическая инженерия поверхности |
| author_facet |
Любушкин, Р.А. Марадудина, О.Н. Иванов, О.Н. Сирота, В.В. |
| author_sort |
Любушкин, Р.А. |
| title |
Получение термоэлектрического наноматериала на основе твердого раствора (Bi, Sb)₂Te₃ |
| title_short |
Получение термоэлектрического наноматериала на основе твердого раствора (Bi, Sb)₂Te₃ |
| title_full |
Получение термоэлектрического наноматериала на основе твердого раствора (Bi, Sb)₂Te₃ |
| title_fullStr |
Получение термоэлектрического наноматериала на основе твердого раствора (Bi, Sb)₂Te₃ |
| title_full_unstemmed |
Получение термоэлектрического наноматериала на основе твердого раствора (Bi, Sb)₂Te₃ |
| title_sort |
получение термоэлектрического наноматериала на основе твердого раствора (bi, sb)₂te₃ |
| publisher |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| publishDate |
2010 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98904 |
| citation_txt |
Получение термоэлектрического наноматериала на основе твердого раствора (Bi, Sb)₂Te₃ / Р.А. Любушкин, О.Н. Марадудина, О.Н. Иванов, В.В. Сирота // Физическая инженерия поверхности. — 2010. — Т. 8, № 3. — С. 271–275. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| series |
Физическая инженерия поверхности |
| work_keys_str_mv |
AT lûbuškinra polučenietermoélektričeskogonanomaterialanaosnovetverdogorastvorabisb2te3 AT maradudinaon polučenietermoélektričeskogonanomaterialanaosnovetverdogorastvorabisb2te3 AT ivanovon polučenietermoélektričeskogonanomaterialanaosnovetverdogorastvorabisb2te3 AT sirotavv polučenietermoélektričeskogonanomaterialanaosnovetverdogorastvorabisb2te3 |
| first_indexed |
2025-11-28T02:02:55Z |
| last_indexed |
2025-11-28T02:02:55Z |
| _version_ |
1849997793796554752 |
| fulltext |
271
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что термоэлектрические матери-
алы должны обладать высоким значением ко-
эффициента Зеебека (для получения доста-
точно высокого электрического напряжения),
высокой электропроводностью (для умень-
шения необратимых тепловых потерь) и
низкой теплопроводностью (для уменьшения
тепловых потерь в термоэлектрическом мате-
риале) [1]. Существующие в настоящее время
лучшие термоэлектрические материалы на
основе полупроводниковых соединений
(например, сплавы висмут-сурьма, висмут-
теллур, кремний-германий) имеют доброт-
ность, близкую к единице. Такое низкое зна-
чение добротности обуславливает и низкое
значение коэффициента полезного действия,
что существенно ограничивает применение
существующих сегодня термоэлектрических
материалов. Использование нанотехнологий
и разработка наноматериалов различных ти-
пов (тонкие пленки, наночастицы, супер-
решетки, нанокомпозиты) может обеспечить
получение термоэлектрических материалов с
высокой термоэлектрической добротностью
(прогнозируемые значения добротности до-
стигают 3 – 4) [2 – 5].
Одна из возможных технологических схем
получения наноматериалов, в том числе и для
УДК 621.362
ПОЛУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАНОМАТЕРИАЛА НА
ОСНОВЕ ТВЕРДОГО РАСТВОРА (Bi, Sb)2Te3
Р.А. Любушкин, О.Н. Марадудина, О.Н. Иванов, В.В. Сирота
Белгородский государственный университет, Центр коллективного пользования
научным оборудованием “Диагностика структуры и свойств наноматериалов”
Россия
Поступила в редакцию 06.09.2010
Представлен способ получения слабоагломерированного наноразмерного порошка состава
(26%мол. Вi2Te3 – 74%мол.Sb2Te3) + 3%мол.Te, основанный на восстановлении оксидов Bi2O3,
TeO2, Sb2O3 гидразином. Синтезированный порошок состоит из агломератов частиц неправиль-
ной сферической и игольчатой формы со средним размером 20 – 80 нм, размер индивидуаль-
ных частиц составляет в среднем ~15 нм. Компактирование порошка методом холодного изо-
статического прессования и последующий отжиг в атмосфере аргона при температуре 300 °С
позволяет получать однородные по составу образцы с размером зерна ~300 нм.
Ключевые слова: наноразмерный порошок, твердый раствор, холодное изостатическое
прессование.
Представлено спосіб одержання слабоагломерированного наноразмерного порошку складу
(26%мол. Ві2Te3 – 4%мол.Sb2Te3) + 3%мол.Te, заснований на відновленні оксидів Bі2O3,TeO2,
Sb2O3 гидразином. Синтезований порошок складається з агломератів часток неправильної сфе-
ричної й голчастої форми із середнім розміром 20 – 80 нм, розмір індивідуальних часток ста-
новить у середньому ~15 нм. Компактування порошку методом холодного ізостатичного пре-
сування й наступний віджиг в атмосфері аргону при температурі 300 °С дозволяє одержувати
однорідні по складу зразки з розміром зерна ~300 нм.
Ключові слова: нанорозмірний порошок, твердий розчин, холодне ізостатичне пресування.
Method of preparing nanosized weakly agglomerated powder with (26%mol.Вi2Te3 – 74%mol.Sb2Te3)
+ 3%mol.Te composition is presented in this work. This method is based on reduction of Bi2O3,
TeO2, Sb2O3 oxides by hydrazine. Synthesized powder consists of agglomerates of particles with
spherical and irregular shape. The agglomerate size is in the range of 20 – 80 nm, while the size of
individual particles is about 15 нм. Compacting of the powder by cold isostatic pressing with its
further annealing in Ar atmosphere at 300 °С allowed us to obtain a homogeneous material with a
grain size of about ~300 nm.
Keywords: nanosized powder, solid solution, cold isostastic pressing
Р.А. Любушкин, О.Н. Марадудина, О.Н. Иванов, В.В. Сирота, 2010
ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3272
термоэлектрических применений, включает
следующие основные элементы:
· синтез наноразмерного порошка получа-
емого материала с контролируемым раз-
мером зерна (менее 100 нм), необходимым
химическим составом и кристаллической
структурой;
· компактирование из синтезированного
наноразмерного порошка объемного ма-
териала с высокой плотностью и необхо-
димых формы и размера;
· высокотемпературная обработка скомпак-
тированного материала (спекание) с це-
лью получения механически прочного
изделия (полуфабриката), предназначен-
ного для дальнейших технологических
операций (резка, шлифовка, травление,
нанесение электродов и т.д.); условия
спекания (температура и время спекания,
состав газовой фазы при спекании) долж-
ны обеспечить сохранение необходимого
химического состава и минимальный раз-
рост зерна в процессе рекристаллизации.
В настоящей работе данная технологи-
ческая схема была использована для полу-
чения термоэлектрического наноматериала
на основе твердого раствора (Bi,Sb)2Te3 сис-
темы Bi-Sb-Te.
ПОЛУЧЕНИЕ ОБРАЗЦОВ И
МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТА
Наноразмерные порошки твердого раствора
состава (26%мол.Вi2Te3 – 74%мол.Sb2Te3) +
3%мол.Te были получены восстановлением
гидразином N2H4 соответствующих оксидов
Bi2O3, Sb2O3 и TeO2 (все марки ХЧ), взятых в
стехиометрическом соотношении. Такой хи-
мический состав соответствует термоэлект-
рическому материалу дырочного типа прово-
димости (p-тип).
Для синтеза необходимого материала в хи-
мический стакан загружали водно-спиртовую
суспензию оксидов, в которую при постоян-
ном перемешивании по каплям вводили гид-
разин. При этом проходили реакции восста-
новления оксидов до элементарных Bi, Sb и
Te и образование необходимого твердого рас-
твора:
2Bi2O3 + 3N2H4 → 4Bi +3N2 +6H2O; (1)
TeO2 + N2H4 → Te +N2 +2H2O; (2)
2Sb2O3 +3N2H4 → 4Sb + 3N2 +6H2O (3)
или в упрощенном виде с учетом лишь ис-
ходных реагентов (без гидразина) и синтези-
руемых соединений – компонентов получае-
мого твердого раствора:
Bi2O3+TeO2 → Bi2Te3; (4)
Sb2O3+TeO2 → Sb2Te3. (5)
После полного разложения гидразина, по-
лученный порошок черного цвета промывали
и уплотняли на вакуумном фильтре большим
количеством воды и этанола.
Для компактирования объемного материа-
ла из синтезированного слабоагломериро-
ванного порошка использовали метод холод-
ного изостатического прессования (пресс
EPSI 400-200*1000Y). К порошку, засыпан-
ному в резиновую пресс-форму в форме ци-
линдра длиной 25 мм и диаметром 7 мм, при-
кладывали при комнатной температуре давле-
ние 400 МПа и выдерживали компактируе-
мый материал при этом давлении в течение
3 мин. Скомпактированный материал отжига-
ли при температуре 400 °С в течение 1,5 ч. в
атмосфере аргона (с целью предотвра-щения
процессов окисления).
Для характеризации как синтезируемого
порошка так и скомпактированного и отож-
женного материала использовали методы
рентгеноструктурного и рентгенофазового
анализа (порошковый дифрактометр Rigaku
Ultima IV, CuKα– излучение, Ni – фильтр), вы-
сокоразрешающей просвечивающей микро-
скопии – ПЭМ (микроскоп Jeol 2100), раст-
ровой электронной микроскопии – РЭМ
(микроскоп Quanta 200 3D).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗЛЬТАТЫ
Дифрактограмма порошка твердого раствора
(Bi,Sb)2Te3 тройной системы Bi-Sb-Te, полу-
ченного восстановлением оксидов гидрази-
ном, приведена на рис. 1. По данным рентге-
нофазового анализа и с использованием базы
данных JCPDS установлено, что синтезиро-
ванный материал действительно соответст-
вует фазе δ-(Bi, Sb)2Te3 c ромбоэдрической
кристаллической структурой (пространствен-
ная группа симметрии 3R m ) с параметрами
кристаллической решетки a = 4,3691 D и
c = 3,0472 D. Следует отметить, что рассчи-
ПОЛУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАНОМАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ТВЕРДОГО РАСТВОРА (Bi, Sb)2Te3
273
танные из дифрактограмм параметры решет-
ки несколько меньше, чем приведенные в
таблице для соединения δ-(Bi, Sb)2Te3
(а = 4,3810 D и с = 3,0483 D), что может быть
связано с присутствием в синтезируемых в
настоящей работе образцах сверхстехиомет-
рического теллура.
Исследования синтезированного порошка
с помощью растровой электронной микро-
скопии подтвердили, что полученный матери-
ал действительно представляет собой нано-
размерный порошок, состоящий из агломера-
тов частиц неправильной формы со средним
размером 20 – 80 нм (рис. 2). Агломераты час-
тиц порошка имеют сферическую и иголь-
чатую форму. Одновременно с проведением
РЭМ-исследований с помощью рентгено-
спектрального микроанализа (EDAX) были
выполнены количественные измерения эле-
ментного состава синтезированного нанораз-
мерного порошка, подтвердившие его соот-
ветствие необходимому составу (26%мол.
Вi2Te3 – 74%мол.Sb2Te3) + 3% мол.Te. Дан-
ные рентгеноспектрального микроанализа
представлены на рис 3.
Проведенные с помощью растровой элект-
ронной микроскопии исследования не поз-
воляют уверенно определять размер индиви-
дуальных частиц в синтезированном нано-
размерном порошке вследствие его агломера-
ции. Поэтому дальнейшие исследования по-
рошка были выполнены с использованием
просвечивающей электронной микроскопии
(рис. 4). Было обнаружено, что характерный
размер частиц в синтезированном наноразме-
рном порошке составляет в среднем ∼ 15 нм.
Представленная как вставка к рис. 4, электро-
Рис. 1. Дифрактограмма синтезированного нанораз-
мерного порошка на основе твердого раствора сис-
темы Bi-Sb-Te.
Рис. 2. РЭМ-изображение синтезированного нанораз-
мерного порошка на основе твердого раствора систе-
мы Bi-Sb-Te.
Рис. 3. Энергодисперсионный спектр рентгеновского
излучения синтезированного наноразмерного
порошка на основе твердого раствора системы
Bi-Sb-Te.
Рис. 4. ПЭМ-изображение синтезированного нанораз-
мерного порошка на основе твердого раствора систе-
мы Bi-Sb-Te.
ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3
Р.А. ЛЮБУШКИН, О.Н. МАРАДУДИНА, О.Н. ИВАНОВ, В.В. СИРОТА
ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3274
нограмма от исследуемого порошка имеет ха-
рактерный вид колец, образованных точеч-
ными рефлексами от индивидуальных час-
тиц. Такой вид электронограммы соответст-
вует образцам, содержащим большое коли-
чество нанодисперсных частиц.
Синтезированный наноразмерный поро-
шок на основе твердого раствора системы
Bi-Sb-Te был скомпактирован с помощью ме-
тода холодного изостатического прессования,
и подвергнут высокотемпературной обра-
ботке в атмосфере аргона при температуре
300 °С, после чего полученный материал ис-
следовали с помощью растровой электрон-
ной микроскопии (рис. 5). Исследования по-
казали, что скомпактированный и отожжен-
ный материал имеет мелкозернистую и доста-
точно плотную структуру с хорошо оформ-
ленными границами зерен. Средний размер
зерна составляет ~300 нм. Важным условием
создания высокоэффективного термоэлект-
рического материала является однородность
его химического состава.
Для характеристики однородности хими-
ческого состава скомпактированного и отож-
женного материала на основе твердого раст-
вора (Bi,Sb)2Te3 системы Bi-Sb-Te были пост-
роены карты распреде-ления элементов Bi, Sb
и Te, полученные с помощью анализа энерго-
дисперсионных спектров рентгеновского из-
лучения исследуемого образца в рентгеновс-
ком излучении с помощью системы с дис-
персией по энергии (рис. 6).
На рис. 6: 3 – соответствует распределе-
нию сурьмы в исследуемом образце, 3 – тел-
луру, 4 – висмуту. Как видно из рис. 6, все
элементы распределены равномерно, области
концентрации отдельных элементов отсутст-
вуют, что свидетельствует о высокой одно-
родности полученного материала.
Исследование электрофизических, в том
числе, термоэлектрических свойств получен-
ного материала является следующим этапом
работы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Восстановлением оксидов Bi2O3, TeO2, Sb2O3
гидразином получен слабоагломерированный
наноразмерный порошок состава (26%мол.
Вi2Te3 – 74%мол.Sb2Te3) + 3%мол.Te, состоя-
щий из агломератов частиц неправильной
сферической и игольчатой формы со средним
размером 20 – 80 нм. По данным просвечи-
вающей электронной микроскопии размер
индивидуальных частиц составляет в сред-
нем 15 нм. Компактирование порошка мето-
дом холодного изостатического прессования
и последующий отжиг в атмосфере аргона
при температуре 300 °С позволяет получать
однородные по составу образцы со средним
размером зерна ~300 нм.
Данная работа выполнялась в рамках госу-
дарственного контракта № П178 (Фед-раль-
ная целевая программа “Научные и научно-
Рис. 5. РЭМ-изображение скомпактированного и
отожженного материала на основе твердого раствора
системы Bi-Sb-Te.
Рис. 6. Карты распределения элементов по поверхно-
сти скомпактированного и отожженного материала
на основе твердого раствора системы Bi-Sb-Te.
ПОЛУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАНОМАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ТВЕРДОГО РАСТВОРА (Bi, Sb)2Te3
275
педагогические кадры инновационной Рос-
сии” на 2009 – 2013 годы).
ЛИТЕРАТУРА
1. Min X.-M., Hong H.-L., An J.-M. The quantum
chemistry calculation and thermoelectric of Bi-
Sb-Te series //Jour. of Wuban University of
Technology – Mater. Sci. Ed. – 2002. – Vol. 17,
No 2. – P. 6-9.
2. Fan X.A., Yang J.Y., Li K., Zhu W., Duan X.K.,
Xiao C.J., Zhang Q.Q. Bi2Te3 hexagonal nano-
plates and thermoelectric properties of n-type
Bi2Te3 nanocomposites//J. Phys. D: Appl. Phys.
– 2007. – Vol. 40. – P. 5975-5979.
3. Булат Л.П., Пшенай-Северин Д.А. Влияние
туннелирования на термоэлектрическую эф-
фективность объемных наноструктурирован-
ных материалов//ФТТ. – 2010. – Т. 52, № 3. –
С. 452-458.
4. Liu K., Wang J., Liu H., Xiang D. Preparation
and characterization of nanostructured Bi2Se3
and Sn0.5-Bi2Se3//Rare Metals. – 2009. – Vol. 28,
No 2. – P. 112-116.
5. Cao Y.Q., Zhu T.J., Zhao X.B., Zhang X.B.,
Tu J.P. Nanostructuring and improved perfor-
mance of ternary Bi-Sb-Te thermoelectric ma-
terials//Appl. Phys. A. – 2008. – Vol. 92. –
P. 321-324.
ФІП ФИП PSE, 2010, т. 8, № 3, vol. 8, No. 3
Р.А. ЛЮБУШКИН, О.Н. МАРАДУДИНА, О.Н. ИВАНОВ, В.В. СИРОТА
|