WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 7 Особенности термоэлектрических свойств слабо легированных твердых растворов Bi2(TeSe)3 ¶ © П.П. Константинов, Л.В. Прокофьева, Ю.И. Равич, М.И. Федоров, В.В. Компаниец+ Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 195251 Санкт-Петербург, Россия + ОАО ИПФ „Криотерм“, 197348 Санкт-Петербург, Россия (Получена 9 декабря 2003 г. Принята к печати 17 декабря 2003 г.) В диапазоне 77-300 K исследованы электрические и термоэлектрические свойства слабо легированного твердого раствора n-Bi2Te2.7Se0.3. Результаты сопоставляются с данными для сплава PbTe0.9Se0.1 с близкой величиной термоэдс S при 84 K. Помимо более низкой теплопроводности, для Bi2Te2.7Se0.3 характерны более высокая электропроводность и ее значительно более слабая зависимость от температуры. Как следствие, коэффициент мощности S2 в образцах с оптимальными свойствами начинает уменьшаться, лишь когда становится заметной концентрация неосновных носителей заряда. Величина |S| при этом значительно превосходит стандартное значение 200 мкВ/K. Понижение концентрации электронов уменьшает термоэлектрическую эффективность (Z) в максимуме и незначительно снижает температуру максимума, поэтому ожидаемое влияние на среднюю величину Z в диапазоне 77-300 K отсутствует. Аналогичные особенности наблюдаются и в Bi2Te2.88Se0.12, хотя выражены слабее. Экспериментальные результаты обсуждаются с учетом возможных изменений доминирующих механизмов рассеяния, концентрации подвижных носителей и энергетического спектра электронов.

Разработка высокоэффективных термоэлектриков на при температурах, близких к 250 K, однако величиоснове тройных систем твердых растворов (BiSb)2Te3 и на Z значительно ниже приведенной для образцов с Bi2(TeSe)3 привела к созданию и широкому распростра- более высокой концентрацией электронов. В настоящей нению термоэлектрических холодильников для диапазо- работе продолжены исследования термоэлектрических на комнатных температур. Впоследствии начались ис- свойств твердых растворов Bi2Te3-xSex с электронной следования, направленные на расширение рабочего диа- проводимостью; представлялось интересным выснить, пазона вплоть до температуры жидкого азота [1–3]. Со- к каким особенностям в свойствах приводит понижение гласно [1,2], среди материалов n-типа проводимости бо- концентрации электронов и как эти особенности влияют лее высокие значения термоэлектрической эффективно- на величину и поведение термоэлектрической эффективсти Z в области температур (T ) ниже комнатной наблю- ности в диапазоне температур 77-300 K.

даются в системе Bi2Te3-xSex при концентрациях элекДля исследования коэффициентов термоэдс, электротронов (3 - 8) · 1018 см-3, что соответствует значениям и теплопроводности (S, и ) в интервале температермоэдс при T 84 K |S| = 100-160 мкВ/K.1 Макситур 85-340 K были проиготовлены образцы твердого мум Z на куполообразной зависимости Z(T ) для твердых раствора Bi2Te3-xSex с содержанием Se 10 ат% в хальрастворов с x = 0.21-0.36 превышает 3 · 10-3 K-1 и сокогеновой подрешетке (x = 0.3). Использовался метод ответствует температурам 220-270 K; несколько меньвертикальной зонной плавки, легирование осуществляшую термоэлектрическую эффективность в максимуме лось посредством введения хлора.

имеет твердый раствор с x = 0.12. При исследовании Чтобы выделить специфические особенности в поветермоэлектрических свойств образцов более низкого дении рассматриваемых материалов при низких темпеуровня легирования с x = 0.3 и 0.36 (|S| при 84 K ратурах, было проведено сопоставление термоэлектридостигает величин 200 мкВ/K) [3] обнаружена боческих свойств двух слабо легированных твердых раслее сложная зависимость термоэлектрической эффектворов Bi2Te3-xSex и PbTe1-xSex с одинаковым содертивности от температуры: в области температур нижанием селена (10 ат%). Твердый раствор PbTe1-x Sex же 150 K термоэлектрическая эффективность с понижевыбран в качестве модельного материала, термоэлектринием температуры начинает расти и достигает значений ческие свойства которого при низких температурах хо(2.0-2.4) · 10-3 K-1 при 84 K; максимум на куполооброшо укладываются в рамки однозонной модели с непаразном участке кривой Z(T ) по-прежнему имеет место раболическим законом дисперсии и рассеянием элекПри сравнении свойств материалов будем использовать темпера- тронов на фононах и близкодействующем потенциале туры 84 и 250 K; последнее значение выбрано с учетом того, что нейтральных примесных центров [4]. На рис. 1 представпри комнатной температуре в слабо легированных образцах данных лены температурные зависимости электрических и терматериалов достаточно велик вклад собственных носителей заряда.

¶ моэлектрических характеристик для указанных твердых E-mail: m.fedorov@mail.ioffe.ru растворов с близкими значениями термоэдс при 84 K.

812 П.П. Константинов, Л.В. Прокофьева, Ю.И. Равич, М.И. Федоров, В.В. Компаниец тивность. Так, увеличение Zmax за счет уменьшения полной теплопроводности составляет величину 20%.

Различия в температурном поведении коэффициентов электропроводности (рис. 1, кривые 1 и 1 ) и термоэдс S (рис. 1, кривые 2 и 2 ) в рассматриваемых сплавах имеют принципиальное значение. Оба параметра в твердом растворе на основе PbTe более резко изменяются с температурой. Особенно резко изменяется электропроводность: в твердом растворе PbTe0.9Se0.уменьшается более чем на порядок при увеличении температуры от 84 до 300 K, тогда как в твердом растворе Bi2Te2.7Se0.3 лишь в 4.2 раза. Поскольку коэффициент термоэдс в твердом растворе PbTe0.9Se0.1 в указанном Рис. 1. Температурные зависимости электропроводности диапазоне увеличивается в 2.5 раза, естественно, что в (1, 1, двойной логарифмический масштаб), термоэдс S (2, 2, этом случае коэффициент мощности S2 круто падалинейный масштаб) и теплопроводности (3, 3, линейный масштаб) твердых растворов Bi2Te3-x Sex (1, 2, 3) и ет с повышением температуры, а термоэлектрическая PbTe1-x Sex (1, 2, 3 ) с одинаковым содержанием Se (10 ат%) эффективность при невысокой скорости уменьшения и близкой величиной термоэдс при 84 K. 4, 5 — соответтеплопровоности достигает максимума уже при темпественно и S согласно [3] для Bi2Te2.7Se0.3 с меньшей ратуре, близкой к 100 K (рис. 2). Абсолютная величина концентрацией электронов. 3 — гипотетическая теплопотермоэдс при этом не превосходит стандартного знаводность твердого раствора на основе Bi2Te3, полученная в чения 200 мкВ/K, соответствующего механизмам распредположении, что ее температурное поведение такое же, как сеяния с показателем r в энергетической зависимости в материале на основе PbTe.

времени релаксации ( r ), равным -0.5 в случаях рассеяния на акустических фононах и на близкодействующем потенциале примесей [5].

Совсем иная ситуация складывается для твердого раствора Bi2Te2.7Se0.3. При 84 K коэффициент мощности в этом материале выше благодаря большей. С повышением температуры различие становится гораздо более заметным, поскольку S2, несмотря на более слабый рост термоэдс, не только не падает вплоть до начала собственной проводимости, но даже несколько возрастает, как видно из рис. 2. Лишь заметный вклад дырок в явления переноса кардинально меняет характер зависимости S2 = f (T), приводя к быстрому уменьшению величины данного параметра. Поскольку при появлении неосновных носителей изменяется также характер зависимости (T ), термоэлектрическая эффективность достигает Рис. 2. Температурные зависимости коэффициента мощности максимума и затем начинается быстрое уменьшение веS2 (1, 1 ) и термоэлектрической эффективности Z (2, 2 ) для личины Z. Таким образом, собственная проводимость явтвердых растворов на основе Bi2Te3 (1, 2) и PbTe (1, 2 ) ляется фактором, ограничивающим рост Z(T ) в твердом с 10 ат% Se. Пунктирные кривые — S2 (3) и Z (4) по данрастворе Bi2Te2.7Se0.3. Естественно, что в данном матеным [3] для Bi2Te2.7Se0.3 с меньшей концентрацией электронов.

риале Zmax соответствует более высоким температурам и более высоким значениям термоэдс (в рассматриваемом случае |S| 290 мкВ/K).

Сравнение кривых теплопроводности (кривые 3 и 3 ) Таким образом, можно заключить, что достаточно показывает, что закон изменения (T ) в обоих сплавах высокая электропроводность и ее слабое уменьшение фактически одинаковый, если не принимать во внимание с ростом температуры в диапазоне 85-300 K наряду с очень небольшое (в максимуме менее 4%) отступление низким уровнем теплопроводности являются особенноот него, наблюдаемое в твердом растворе Bi2Te2.7Se0.3 стями термоэлектрических свойств данных материалов, при температурах (110-225) K. Это уменьшение в не ответственными за увеличение термоэлектрической эфсказывается ни на амплитуде, ни на положении макси- фективности, смещение ее максимума в область более мума термоэлектрической эффективности Zmax, а лишь высоких температур, когда начинается качественное изнезначительно увеличивает значения Z в указанном тем- менение транспортных свойств под влиянием собствепературном диапазоне. Снижение величины теплопро- ных носителей тока.

водности, наблюдаемое в твердом растворе Bi2Te2.7Se0.3, В соответствии с данными [3] уменьшение концентравесьма заметно влияет на термоэлектрическую эффек- ции электронов в твердом растворе Bi2Te2.7Se0.3 еще в Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. Особенности термоэлектрических свойств слабо легированных твердых растворов Bi2(TeSe)3 дого раствора Bi2Te2.88Se0.12 и отметим их сходство с приведенными выше: расположение максимумов кривых Z(T ) в том же интервале температур и та же их взаимосвязь с собственной проводимостью; отсутствие выигрыша в Z при всех T < 300 K в образце с концентрацией электронов ниже определенного уровня; оптимальная величина |S|, заметно превышающая 200 мкВ/K. Теперь количественно сопоставим экспериментальные данные для твердых растворов Bi2Te2.7Se0.3 и Bi2Te2.88Se0.12 с одинаковой величиной термоэдс при 250 K. Из рис. видно, что в твердом растворе Bi2Te2.88Se0.12 не так Рис. 3. Температурные зависимости электропроводности, сильно, как в твердом растворе с x = 0.3, ослаблена термоэдс S и коффициента Холла 123. Сплошные кривые — температурная зависимость термоэдс, поэтому образцы данные [2] для Bi2Te2.88Se0.12; точки — результаты настоящей этих составов, имеющие при 250 K одинаковые велиработы для Bi2Te2.7Se0.3. Образцы имеют близкие значения чины не только термоэдс, но и электропроводности, термоэдс при 250 K.

при 84 K заметно отличаются по этим параметрам друг от друга. Линейная экстраполяция термоэдс при стремлении температуры к 0 K не приводит к нулевым большей степени ослабляет температурный рост термозначениям S в обоих сплавах. Если полагать, что конэдс, однако температурное поведение электропроводноцентрация электронов при 250 K в сплавах разного сости не изменяет, и оно по-прежнему описывается степенстава с одинаковой термоэдс одинакова (при комнатной ным законом T с величиной -1.2. На рис. 1, температуре этот результат для диапазона легирования это иллюстирируют взятые из [3] данные для образца (1 · 1018-5 · 1019) см-3 получен в [1]) и не меняется с S = -200 мкВ/K при 84 K. Более крутой ход (T ) при с температурой, то электронная подвижность при низT < 125 K [3], ответственный за аномальное поведение Z кой температуре оказывается существенно зависящей при этих температурах, будет обсуждаться далее. Что от состава материала, ее величина заметно уменьшакасается непосредственно показателей эффективности в ется с ростом содержания Se. Поскольку при этом диапазоне 125-300 K, необходимо отметить следующее:

значительно изменяется (возрастает) и коэффициент коэффициент мощности в этом случае падает с повытермоэдс, привлечения для объяснения наблюдаемых шением температуры, но не так резко, как в твердом фактов только лишь рассеяния на близкодействующем растворе PbTe0.9Se0.1, поэтому появление максимума потенциале примесей явно недостаточно (r = -0.5, как на зависимости Z(T ) по-прежнему связано с началом и при рассеянии на акустических фононах [5]). Оценки собственной проводимости. Значение коэффициета террассеяния на кулоновском потенциале ионизированных моэдс |S| при этом уже превышает 300 мкВ/K.

дефектов, эффективного для низкоэнергетических носиНа основании приведенных данных можно заключить, телей и потому приводящего к более высоким значеничто понижение уровня легирования в твердом растворе ям S, показали, что вклад этого механизма в рассматBi2Te2.7Se0.3, обычно предпринимаемое для увеличения риваемых материалах мал [6]. В такой ситуации естесреднего значения Z за счет понижения температуры ственно предположить, что наблюдаемые особенности максимума на зависимости Z(T ), в данном материале явлений переноса в слабо легированных твердых раствоимеет предел. После его достижения термоэлектричерах Bi2Te3-x Sex связаны с изменением энергетического ская эффективность фактически во всем температурном спектра электронов. Поэтому предствлялось полезным интервале начинает уменьшаться, при этом понижения оценить температурное изменение эффективной массы температуры Zmax не наблюдается. Очевидно, темперав зависимости от состава сплава, как это делалось в [6] турный рост термоэдс становится слишком слабым, чтодля более легированных образцов твердых растворов бы в заметной степени компенсировать температурное Bi2Te3-x Sex с x = 0.12 и 0.45.

падение электропроводности, да и абсолютная величина Как и в [6], при определении температурной зависиэлектропроводности дополнительно снижается за счет мости эффективной массы m Ts мы полагали, что уменьшения подвижности, особо чувствительной к степени совершенства материала в слабо легированных об- концентрация электронов N не изменяется в диапазоне 84-250 K, а в рассеянии преобладают механизмы с разцах. Оптимальными для температур ниже комнатной параметром r = -0.5. На рис. 4 построены зависимости являются образцы с коэффициентом термоэдс при 300 K -1 -2/lg m lg(T F3/2 ) как функции lg T (F —интегралы порядка 285-295 мкВ/K, Zmax не ниже 3.2 · 10-3 K-Ферми [5]) для твердых растворов с 4 и 10 ат% Se, при T = 250 K.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.