Нужно наноструктурировать материалы, из которых они производятся

В Институте перспективных материалов МИЭТ изучают свойства и новые технологии изготовления термоэлектрических материалов на основе теллурида свинца. Это один из материалов для термоэлектрических генераторов, перспективного направления современной альтернативной энергетики. Недавно ученые завершили исследование, посвященное роли стратегий наноструктурирования теллурида свинца для повышения его термоэлектрической добротности.

Преобразование тепловой энергии в электрическую при помощи термоэлектрических генераторов уже стало одной из быстроразвивающихся областей современной науки и техники. Такие генераторы используют в качестве надежных источников электроэнергии, не требующих обслуживания, с длительным сроком службы и высокой удельной мощностью. Их применяют в устройствах совершенно разного масштаба: от микроэлектроники и носимой электроники до космических аппаратов и атомных электростанций. Источником тепла для термоэлектрических генераторов может выступать в том числе и бесполезно теряемое бросовое тепло.

В Институте ПМТ МИЭТ ищут способ повысить термоэлектрическую добротность таких генераторов, чтобы увеличить их КПД. Ученые исследовали возможности изменения одного из параметров термоэлектрической добротности материала за счет снижения его теплопроводности. Они предложили использовать для этого технологию получения новых объемных наноструктурированных термоэлектрических материалов, которая сейчас активно разрабатывается.

«Для минимизации теплопроводности важно, чтобы рассеивались фононы со всеми длинами свободного пробега. Большой диапазон распределения структурных неоднородностей по размерам в объемных наноструктурированных термоэлектрических материалах может обеспечить эффективное рассеяние фононов со средней и большой длиной свободного пробега. Такие фононы вносят основной вклад в процесс теплопередачи,— говорит доцент Института ПМТ МИЭТ, к. т. н. Максим Штерн.— Однако соотношение структуры и свойств во взаимосвязи синтезированного термоэлектрического материала, нанопорошка и наноструктурированного термоэлектрического материала в настоящее время до конца не изучено. В связи с этим актуальной задачей является комплексное исследование структуры, структурных изменений и свойств термоэлектрических материалов на каждом этапе их получения».

Предложенный метод был реализован в лаборатории. Там изготовили новый наноструктурированный термоэлектрический материал, используя синтезированный метод прямого сплавления теллурида свинца, измельченный в планетарной шаровой мельнице до наноразмеров с последующим уплотнением нанопорошков методом искрового плазменного спекания.

«Целью нашей работы было комплексное исследование структуры, структурных изменений и свойств наноструктурированного термоэлектрического материала на основе теллурида свинца на различных стадиях его производства: синтезированный термоэлектрический материал, нанопорошок, объемный наноструктурированный термоэлектрический материал»,— поясняет Максим Штерн.

Полученные по этой технологии материалы ученые исследовали и выявили оптимальное сочетание параметров их изготовления, при которых решеточная теплопроводность максимально снижается. Оказалось, что это происходит при размерах зерен в диапазоне 100–350 нм, при этом термоэлектрическая эффективность материала повышается на 14%.

Комплексное исследование свойств материалов провели коллеги из Научно-исследовательской лаборатории электронной микроскопии (НИЛ ЭМИ) МИЭТ.

«Перед нами стояла задача понять, как влияют параметры формирования объемных наноструктурированных термоэлектрических материалов на их структуру,— рассказывает старший научный сотрудник лаборатории, к. ф.-м. н. Юлия Зайцева.— Для этого методом In-Situ Lift-Out нами была подготовлена серия образцов для просвечивающей электронной микроскопии. С помощью электронографического анализа, высокоразрешающей и просвечивающей растровой электронной микроскопии мы обнаружили, что исследуемые термоэлектрические материалы обладают зернистой структурой. Для анализа особенностей их структуры и, в частности, для определения латеральных размеров зерен требовалось прецизионно выявить их границы на электронно-микроскопических изображениях. Для этого на основе разработанной нами программы проводилась цифровая обработка серий микрофотографий, полученных при различных углах падения электронного пучка на образец. В результате нам удалось выявить корреляционную зависимость зернистой структуры (размеров зерен) и термоэлектрической добротности материалов, а также определить оптимальные параметры их получения. Увеличение термоэлектрической эффективности на 14% — это существенный результат, поэтому наше исследование можно считать весьма успешным».

Помимо полученных научных результатов ценность разработанной технологии состоит в том, что она пригодна для широкого практического применения, резюмируют свое исследование в Институте ПМТ МИЭТ. Эту технологию можно использовать для промышленного производства наноструктурированных термоэлектрических материалов и изготовления термоэлементов на их основе.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки
Использованы материалы статьи.