RU2474010C2 - Nanocomposite thermoelectric and method of its production - Google Patents

Nanocomposite thermoelectric and method of its production Download PDF

Info

Publication number
RU2474010C2
RU2474010C2 RU2010108183/28A RU2010108183A RU2474010C2 RU 2474010 C2 RU2474010 C2 RU 2474010C2 RU 2010108183/28 A RU2010108183/28 A RU 2010108183/28A RU 2010108183 A RU2010108183 A RU 2010108183A RU 2474010 C2 RU2474010 C2 RU 2474010C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
concentration
thermoelectric
nanocomposite
fullerene
electrons
Prior art date
Application number
RU2010108183/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010108183A (en
Inventor
Михаил Юрьевич Попов
Филипп Иванович Высикайло
Сергей Геннадиевич Буга
Владимир Давыдович Бланк
Виктор Николаевич Денисов
Алексей Николаевич Кириченко
Владимир Анатольевич Кульбачинский
Владимир Геннадиевич Кытин
Геннадий Иванович Пивоваров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ)
Priority to RU2010108183/28A priority Critical patent/RU2474010C2/en
Publication of RU2010108183A publication Critical patent/RU2010108183A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2474010C2 publication Critical patent/RU2474010C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: nanocomposite thermoelectric material comprises thermoelectric nanocrystals and alloying fullerene molecules distributed among them. Concentration of charge carriers is controlled by concentration of introduced alloying fullerene molecules that take electrons from nanocrystals of the thermoelectric and are quantum traps for electrons. The volume concentration of alloying fullerene molecules Kalloy, which are added into the nanocomposite thermoelectric, is defined by the difference of Knanocomposite and Kinitial, divided into the average number k of electrons taken from nanocrystals per one alloying fullerene molecule, namely; Kalloy=(Knanocomposite-Kinitial)/k.
EFFECT: modification of electric properties of materials due to variation of electric charge carrier concentration in nanocomposites.
3 cl, 2 tbl, 2 dwg

Description

1. Область техники, к которой относится изобретение1. The technical field to which the invention relates.

Изобретение относится к области наноструктурированных материалов с модифицированными электрическими свойствами. Одним из основных применений изобретения является улучшение свойств наноструктурированных термоэлектриков.The invention relates to the field of nanostructured materials with modified electrical properties. One of the main applications of the invention is to improve the properties of nanostructured thermoelectrics.

2. Уровень техники2. The level of technology

Известно, что при объемном легировании полупроводников их электропроводность сильно изменяется [Бонч-Бруевич В.П., Калашников С.Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977, 679 с.; Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. М. - Л., 1960, 188 с.]. Например, 0,0001 атомного процента фосфора в кремнии уменьшает его сопротивление в 100000 раз. В качестве примера для легирования кремния рассмотрен элемент 5 группы Периодической системы элементов фосфор. Объемное легирование осуществляют либо добавлением легирующего элемента в расплав, либо термодиффузией, либо ионной имплантацией. Для осуществления парных электронных связей в решетке элемента 4 группы кремния необходимо 4 электрона. Пятый валентный электрон атома фосфора при легировании кремния легко отщепляется и переходит в зону проводимости, а атом фосфора превращается в положительно заряженный ион. Элемент 5-й группы представляет собой донорную примесь в полупроводнике 4-й группы. У элементов 3 группы, как, например, бора, всего 3 валентных электрона. При легировании бором в решетке кремния образуются локальные области с дефицитом электронов, то есть положительно заряженные области, называемые дырками. Таким образом, элемент 3-й группы представляет собой акцепторную примесь в полупроводнике 4-й группы. Объемное легирование полупроводников донорными или акцепторными примесями приводит к изменению концентрации электронов и дырок. Это используют для оптимизации термоэлектрической эффективности полупроводника.It is known that with bulk doping of semiconductors, their electrical conductivity varies greatly [Bonch-Bruevich VP, Kalashnikov SG Semiconductor Physics. M .: Nauka, 1977, 679 p .; Ioffe A.F. Semiconductor thermocouples. M. - L., 1960, 188 p.]. For example, 0.0001 atomic percent of phosphorus in silicon reduces its resistance by 100,000 times. Element 5 of the group of the Periodic Table of the Elements of Phosphorus is considered as an example for doping silicon. Volumetric doping is carried out either by adding an alloying element to the melt, or by thermal diffusion, or by ion implantation. For the implementation of paired electronic bonds in the lattice of the element 4 of the silicon group, 4 electrons are needed. When doping silicon, the fifth valence electron of the phosphorus atom easily splits off and passes into the conduction band, and the phosphorus atom turns into a positively charged ion. The element of the 5th group is a donor impurity in the semiconductor of the 4th group. Elements of 3 groups, such as boron, have only 3 valence electrons. When doped with boron, local regions with a deficit of electrons are formed in the silicon lattice, i.e., positively charged regions called holes. Thus, the element of the 3rd group is an acceptor impurity in the semiconductor of the 4th group. Volumetric doping of semiconductors with donor or acceptor impurities leads to a change in the concentration of electrons and holes. This is used to optimize the thermoelectric efficiency of a semiconductor.

Недостатком объемного легирования термоэлектриков для их оптимизации является то, что возможности этого метода на сегодняшний день практически исчерпаны, поскольку изменение концентрации за счет объемного легирования меняет все параметры в формуле ZT=S2σT/k [Thermoelectric Handbook, Macro to Nano, DM. Rowe (editor), CRS, 2005] и имеющиеся объемные термоэлектрические материалы имеют оптимальные параметры S, σ и k, (S - коэффициент Зеебека, σ - электропроводность, k - теплопроводность, Т - средняя температура термоэлектрических устройства), полученные за счет объемного легирования материалов. Таким образом, для дальнейшей оптимизации термоэлектриков требуется способ изменения концентрации носителей зарядов без их объемного легирования.The disadvantage of volumetric doping of thermoelectrics for their optimization is that the possibilities of this method are almost exhausted today, since a change in concentration due to volumetric doping changes all the parameters in the formula ZT = S 2 σT / k [Thermoelectric Handbook, Macro to Nano, DM. Rowe (editor), CRS, 2005] and the available bulk thermoelectric materials have the optimal parameters S, σ and k, (S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, k is the thermal conductivity, T is the average temperature of thermoelectric devices) obtained by volume doping materials. Thus, for further optimization of thermoelectrics, a method of changing the concentration of charge carriers without their bulk doping is required.

Известно, что захват электронов может осуществляться молекулами фуллерена, в частности, С60. Молекула фуллерена способна образовывать долгоживущие отрицательные молекулярные ионы (ОМИ) при энергии бомбардирующих электронов до 10 эВ [S.Н.Yang, С.L.Pettiette, J.Conceicao, О.Chesnovsky, R.E.Smalley. Chem. Phys. Lett., 139 (1987) 233; T.Jaffke, E.Illenberger, M.Lezius, S.Matejcik, D.Smith and T.D.Mark. Chem. Phys. Lett., 226 (1994) 213; J.Huang, H.S.Carman and R.N.Compton. J.Phys. Chem., 99 (1995) 1719.].It is known that electron capture can be carried out by fullerene molecules, in particular, C 60. The fullerene molecule is capable of forming long-lived negative molecular ions (OMI) with bombarding electron energies of up to 10 eV [S. N. Yang, C. L. Pettiette, J. Conceicao , O. Chesnovsky, RESmalley. Chem. Phys. Lett., 139 (1987) 233; T. Jaffke, E. Illenberger, M. Lezius, S. Matejcik, D. Smith and TD Mark. Chem. Phys. Lett., 226 (1994) 213; J. Huang, HSCarman and RNCompton. J.Phys. Chem., 99 (1995) 1719.].

Известны экспериментальные данные no захвату электронов молекулой С60. В литературе рассматриваются только те случаи захвата электронов, когда захваченные электроны располагаются на нижней незанятой орбитали. При этом активные в комбинационном рассеянии света (КРС) линии (1424, 1468 и 1574 см-1) становятся активными и в инфракрасном (ИК) поглощении, и их положение смещается в низкочастотную область на 6 см-1 на каждый захваченный молекулой С60 электрон [V.N.Denisov et al. Optics and Spectroscopy, Vol.76. No2, pp.242-253 (1994); P.Rudolf, et al. Report of Brookhaven National Laboratory, contract number DE-AC02-98CH10886, Department of Energy, 2000].Experimental data are known on the capture of electrons by a C 60 molecule. Only those cases of electron capture are considered in the literature, when the captured electrons are located on the lower unoccupied orbital. In this case, lines (1424, 1468, and 1574 cm -1 ) active in Raman scattering (Raman) become active in infrared (IR) absorption, and their position shifts to the low-frequency region by 6 cm -1 for each electron captured by the C 60 molecule [VN Denisov et al. Optics and Spectroscopy, Vol. 76. No. 2, pp. 242-253 (1994); P. Rudolf, et al. Report of Brookhaven National Laboratory, contract number DE-AC02-98CH10886, Department of Energy, 2000].

Недостатком описанных схем и механизмов захвата электронов молекулой фуллерена является то, что для их реализации требуется расположить атомы металла в решетке молекулярного кристалла фуллерена между молекулами фуллерена, что не приводит к решению поставленной задачи легирования термоэлектрика. Кроме того, в них упущена возможность захвата электрона молекулой фуллерена по другому механизму, не сопровождающимся, например, описанными в литературе изменениями спектра КР или ИК.The disadvantage of the described schemes and mechanisms of electron capture by the fullerene molecule is that to realize them, it is necessary to arrange metal atoms in the lattice of the fullerene molecular crystal between the fullerene molecules, which does not lead to the solution of the stated problem of doping a thermoelectric. In addition, they missed the possibility of electron capture by the fullerene molecule by another mechanism that is not accompanied, for example, by changes in the Raman spectrum or IR spectrum described in the literature.

Лучшие традиционные термоэлектрические материалы, используемые в системах преобразования тепла в электричество, имеют добротность (в литературе добротность обозначают ZT) около ~1 (что соответствует коэффициенту полезного действия около 4%). Этот предел ограничивает практическое применение термоэлектриков. В практике требуются величины ZT>2.5. В наноструктурированных системах было продемонстрировано ZT от 2.5 до 4 [W.Kim et al. Phys. Rev. Lett. 96, 045901 (2006); Venkatasubramanian, et al. Nature, 413, 597 (2001); T.C.Herman, et al. Science 297, 2229 (2002)]. Основной целью и эффектом наноструктурирования являлось управление добротностью ZT=S2σT/k за счет создания условий для эффекта блокирования фононов и пропускания электронов.The best traditional thermoelectric materials used in systems for converting heat to electricity have a quality factor (in the literature, quality factor ZT) about ~ 1 (which corresponds to an efficiency of about 4%). This limit limits the practical use of thermoelectrics. In practice, ZT> 2.5 values are required. In nanostructured systems, a ZT of 2.5 to 4 has been demonstrated [W. Kim et al. Phys. Rev. Lett. 96, 045901 (2006); Venkatasubramanian, et al. Nature, 413, 597 (2001); TCHerman, et al. Science 297, 2229 (2002)]. The main goal and effect of nanostructuring was to control the quality factor ZT = S 2 σT / k by creating conditions for the effect of phonon blocking and electron transmission.

Недостатком способа синтеза этих материалов является то, что они получены методом гомоэпитаксиального роста, что исключает возможность промышленного производства этих материалов.The disadvantage of the method of synthesis of these materials is that they are obtained by the method of homoepitaxial growth, which excludes the possibility of industrial production of these materials.

В заявке на патент [М.Popov, G.Pivovarov, Е.Tat'yanin, V.Blank. Thermoelectric nanocomposite. Patent application WO 2009/110815. Опубликован 11.09.2009 (приоритет 29.02.2008)], где описан нанокомпозитный материал (на основе термоэлектриков Bi2Te3, Sb2Te3 или их сплавов) и способ его получения. Нанокомпозитный материал состоит из наночастиц термоэлектрика, покрытых, по крайней мере, одним слоем немодифицированного углеродного материала. Функциональным назначением таких слоев, нанесенных на наночастицы, являлось только эффективное рассеяние фононов, без изменения других транспортных свойств, в частности концентрации электронов и дырок: т.е. в этой заявке была решена проблема создания границ, влияющих только на теплопроводность. Между тем, остался нереализованным фактор модификации электрических свойств самих наночастиц нанесением слоев, т.е. не были созданы условия для захвата электронов нанесенными слоями. Более того, в заявке и формуле изобретения особо подчеркивается, что нанесенные углеродные слои являются нетронутыми ("substantially intact"), что исключает перераспределение заряда между слоями и наночастицами.In the patent application [M. Popov, G. Pivovarov, E. Tat'yanin, V. Blank. Thermoelectric nanocomposite. Patent application WO 2009/110815. Published on September 11, 2009 (priority February 29, 2008)], which describes a nanocomposite material (based on thermoelectrics Bi 2 Te 3 , Sb 2 Te 3 or their alloys) and the method for its preparation. A nanocomposite material consists of thermoelectric nanoparticles coated with at least one layer of unmodified carbon material. The functional purpose of such layers deposited on nanoparticles was only the effective scattering of phonons, without changing other transport properties, in particular, the concentration of electrons and holes: i.e. in this application, the problem of creating boundaries that affect only thermal conductivity was solved. Meanwhile, the factor of modification of the electrical properties of the nanoparticles themselves by deposition of layers, i.e. no conditions were created for the capture of electrons by the deposited layers. Moreover, the application and the claims particularly emphasize that the deposited carbon layers are intact (substantially intact), which eliminates the charge redistribution between the layers and nanoparticles.

Способ получения указанного нанокомпозитного материала заключается в следующем. Нанопорошок исходного материала термоэлектрика смешивают с углеродным материалом (в частности, перемалывают вместе с углеродным материалом). Затем полученную смесь спекают методом горячего прессования (температура спекания 350°С). Недостатком способа является неконтролируемое попадание кислорода в нанокомпозитный материал и отсутствие условий для захвата электронов углеродным слоем, что не приводит к возникновению легирующего эффекта наносимого слоя.A method of obtaining the specified nanocomposite material is as follows. The nanopowder of the starting material of a thermoelectric is mixed with a carbon material (in particular, it is ground together with a carbon material). Then the resulting mixture is sintered by hot pressing (sintering temperature 350 ° C). The disadvantage of this method is the uncontrolled ingress of oxygen into the nanocomposite material and the absence of conditions for the capture of electrons by the carbon layer, which does not lead to the appearance of an alloying effect of the applied layer.

В заявке на патент US 2004/0187905 А1 представлен нанокомпозитный термоэлектрик, состоящий из совокупности керамических наночастиц Ве2Те3 - Sb2Te3. (со средним размером меньше 100 нм) и метод его изготовления. Метод заключается в следующем. Берут исходный объемный материал и измельчают его для получения керамических наночастиц, которые затем спекают. Перед началом процесса измельчения может быть добавлен дополнительный материал, например, фуллерен. В процессе измельчения происходит механическое сплавление порошка керамики и фуллерена. При этом фуллерены разрушаются в процессе механического сплавления. В результате получается нанокомпозит с неопределенным составом, непредсказуемыми особенностями и плохо воспроизводимыми термоэлектрическими свойствами.US 2004/0187905 A1 discloses a nanocomposite thermoelectric consisting of a combination of ceramic nanoparticles Be 2 Te 3 - Sb 2 Te 3 . (with an average size of less than 100 nm) and the method of its manufacture. The method is as follows. The bulk material is taken and ground to obtain ceramic nanoparticles, which are then sintered. Before starting the grinding process, additional material, for example, fullerene, can be added. During grinding, mechanical fusion of ceramic powder and fullerene occurs. In this case, fullerenes are destroyed in the process of mechanical fusion. The result is a nanocomposite with an indefinite composition, unpredictable features and poorly reproducible thermoelectric properties.

В работе [N.Gothard, J.Е.Spowart, and Т.М.Tritt, Phys. Status Solidi A 207, 157 (2010)] представлен композитный термоэлектрик, состоящий из микрочастиц (Be,Sb)2Te3 и кристаллов фуллерена С60 (которые, как материал, называются фуллеритом). Композит состоит из фрагментов частиц размером 1-3 мкм, состоящих из фуллерита, и микрокристаллической матрицы, состоящей из (Be,Sb)2Te3. Представленный композит принципиально не может рассматриваться как нанокомпозит и его транспортные свойства обусловлены аддитивными свойствами двух компонент: микрокристаллических (Be,Sb)2Te3 и фуллерита С60 с пренебрежимо малым влиянием границ между (Be,Sb)2Te3 и фуллеритом С60 в виду отсутствия эффекта нанофрагментирования. Свойство молекул С60 связывать электроны не может изменить концентрацию носителей зарядов в данном композите более 0,1%, если принять в расчет количество границ (Be,Sb)2Te3 - С60 на единицу объема композита. Свойство отдельной молекулы связывать электроны не распространяется на объемный материал, состоящий из этих молекул (фуллерит). Более того, в зависимости от механической обработки смеси концентрация носителей зарядов может либо увеличиваться, либо уменьшаться, что исключает возможный легирующий эффект С60 (если он имеет место, то концентрация носителей заряда р-типа должна расти во всех случаях). Наблюдаемые свойства свидетельствуют об отсутствии эффекта нанокомпозита. Действительно, коммерчески доступные термоэлектрики (именно такой материал был использован в работе) имеют небольшой избыток Те, который находится в свободном состоянии [Thermoelectric Handbook, Macro to Nano, D.M.Rowe (editor), CRS, 2005]. В зависимости от условий смешивания (Be,Sb)2Te3 и фуллерита С60, Те будет легировать кристаллы С60, придавая им полупроводниковые свойства, как и в случае легирования другими металлами [V.N.Denisov et al. Optics and Spectroscopy, Vol.76. No2, pp.242-253 (1994)]. В случае простого смешивания (mixed) микрокристаллы С60 оказались слабо легированы теллуром (высокое сопротивление, малая концентрация носителей зарядов), а в случае смешивания в шаровой мельнице эффект легирования С60 теллуром выше. Соответственно, исходя из принципа аддитивности транспортных свойств двух компонент в первом случае имеет место уменьшение средней концентрации носителей заряда, а во втором - увеличение. Легированный фуллерит С60 не является эффективным термоэлектриком и его присутствие в композите приводит только к ухудшению термоэлектрических свойств, о чем свидетельствует приведенный в работе рис.4.In [N. Gothard, J. E. Swart, and T. M. Tritt, Phys. Status Solidi A 207, 157 (2010)] presents a composite thermoelectric material consisting of (Be, Sb) 2 Te 3 microparticles and C 60 fullerene crystals (which, as a material, are called fullerite). The composite consists of fragments of particles of 1-3 microns in size, consisting of fullerite, and a microcrystalline matrix, consisting of (Be, Sb) 2 Te 3 . The composite presented in principle cannot be considered as a nanocomposite and its transport properties are due to the additive properties of two components: microcrystalline (Be, Sb) 2 Te 3 and C 60 fullerite with a negligible influence of the boundaries between (Be, Sb) 2 Te 3 and C 60 fullerite due to the lack of nanofragmentation effect. The property of C 60 molecules to bind electrons cannot change the concentration of charge carriers in a given composite of more than 0.1%, if we take into account the number of boundaries (Be, Sb) 2 Te 3 - C 60 per unit volume of the composite. The property of a single molecule to bind electrons does not extend to bulk material consisting of these molecules (fullerite). Moreover, depending on the mechanical processing of the mixture, the concentration of charge carriers can either increase or decrease, which eliminates the possible doping effect of C 60 (if it takes place, then the concentration of p-type charge carriers should increase in all cases). The observed properties indicate the absence of a nanocomposite effect. Indeed, commercially available thermoelectrics (just such a material was used in the work) have a small excess of Te, which is in a free state [Thermoelectric Handbook, Macro to Nano, DMRowe (editor), CRS, 2005]. Depending on the mixing conditions of (Be, Sb) 2 Te 3 and fullerite C 60 , Te will dope C 60 crystals, giving them semiconductor properties, as in the case of doping with other metals [VN Denisov et al. Optics and Spectroscopy, Vol. 76. No. 2, pp. 242-253 (1994)]. In the case of simple mixing, mixed C 60 microcrystals turned out to be weakly doped with tellurium (high resistance, low concentration of charge carriers), and in the case of mixing in a ball mill, the doping effect of C 60 with tellurium is higher. Accordingly, based on the principle of additivity of the transport properties of the two components in the first case, there is a decrease in the average concentration of charge carriers, and in the second, an increase. Doped fullerite C 60 is not an effective thermoelectric and its presence in the composite only leads to a deterioration of thermoelectric properties, as shown in Fig. 4.

Таким образом, известные на сегодняшний день технические решения предлагают либо изменение концентрации носителей заряда в термоэлектрике за счет объемного легирования, либо создание углеродных слоев на границах наночастиц без изменения концентрации носителей заряда, либо получение нанокомпозитов с неопределенным составом, непредсказуемыми особенностями и плохо воспроизводимыми термоэлектрическими свойствами.Thus, currently known technical solutions offer either a change in the concentration of charge carriers in a thermoelectric due to bulk doping, or the creation of carbon layers at the boundaries of nanoparticles without changing the concentration of charge carriers, or the production of nanocomposites with an undefined composition, unpredictable features, and poorly reproducible thermoelectric properties.

3. Раскрытие изобретения3. Disclosure of invention

Целью изобретения является получение нанокомпозитного термоэлектрика, обладающего оптимизированными транспортными свойствами за счет изменения концентрации носителей заряда в нанокристаллах термоэлектрика без изменения их элементного состава.The aim of the invention is to obtain a nanocomposite thermoelectric having optimized transport properties by changing the concentration of charge carriers in nanocrystals of a thermoelectric without changing their elemental composition.

Поставленную задачу достигают тем, что в патентуемом нанокомпозитном термоэлектрике, состоящем из нанокристаллов термоэлектрика и распределенных среди них легирующих молекул фуллерена, концентрацией носителей заряда управляют за счет концентрации вводимых легирующих молекул фуллерена, забирающих электроны из нанокристаллов термоэлектрика и являющихся квантовыми ловушками для электронов. В частности, в случае использования термоэлектрика n-типа в качестве материала нанокристаллов, уменьшение концентрации электронов в нанокристаллах происходит путем их захвата в легирующие молекулы фуллерена, а в случае использования термоэлектрика р-типа в качестве материала нанокристаллов, уменьшение концентрации электронов в валентной зоне материала нанокристалла увеличивает концентрацию носителей р-типа и, в итоге, модифицирует электропроводность.The task is achieved in that in the patented nanocomposite thermoelectric, consisting of nanocrystals of a thermoelectric and doping fullerene molecules distributed among them, the concentration of charge carriers is controlled by the concentration of introduced doping fullerene molecules, which take electrons from the nanocrystals of the thermoelectric and are quantum traps for electrons. In particular, in the case of using an n-type thermoelectric as a material of nanocrystals, a decrease in the concentration of electrons in nanocrystals occurs by their capture in doping fullerene molecules, and in the case of using a p-type thermoelectric as a material of nanocrystals, a decrease in the electron concentration in the valence band of the nanocrystal material increases the concentration of p-type carriers and, as a result, modifies the electrical conductivity.

Указанный эффект легирования нанокристаллов термоэлектрика молекулами фуллерена достигают в основном для наноразмерных объектов, поскольку число забранных (или отданных) легирующими молекулами фуллерена электронов пропорционально площади поверхности нанокристалла, а число носителей заряда в нанокристалле пропорционально его объему. Поэтому при прочих равных условиях изменение концентрации носителей заряда за счет указанного эффекта модификации будет уменьшаться пропорционально увеличению размера частицы. В частности, для уменьшения концентрации электронов в материале нанокристалла предлагают использовать в качестве легирующих молекул фуллерена (квантовых ловушек электронов) молекулы фуллерена (от С36 до С82), в частности С60.The indicated effect of doping thermoelectric nanocrystals with fullerene molecules is achieved mainly for nanoscale objects, since the number of electrons taken (or delivered) by the fullerene doping molecules is proportional to the surface area of the nanocrystal, and the number of charge carriers in the nanocrystal is proportional to its volume. Therefore, ceteris paribus, the change in the concentration of charge carriers due to the specified modification effect will decrease in proportion to the increase in particle size. In particular, to reduce the concentration of electrons in the nanocrystal material, it is proposed to use fullerene molecules (C 36 to C 82 ), in particular C 60, as doping fullerene molecules (quantum electron traps).

Предложен способ синтеза нанокомпозитного термоэлектрика с заданной концентрацией носителей заряда, при котором учитывается легирующая способность добавляемых молекул фуллерена. Соответственно, концентрация легирующих молекул фуллерена в нанокомпозитном термоэлектрике является управляющим параметром, влияющим на концентрацию носителей заряда в этом материале. Изменение концентрации носителей заряда в нанокомпозитном термоэлектрике меняется пропорционально концентрации легирующих молекул фуллерена в нем и пропорционально числу захваченных электронов, в среднем приходящихся на одну легирующую молекулу фуллерена (относительная резонансная концентрация легирующих молекул фуллерена).A method for the synthesis of a nanocomposite thermoelectric with a given concentration of charge carriers is proposed, in which the doping ability of the added fullerene molecules is taken into account. Accordingly, the concentration of doping fullerene molecules in a nanocomposite thermoelectric is a control parameter that affects the concentration of charge carriers in this material. A change in the concentration of charge carriers in a nanocomposite thermoelectric changes in proportion to the concentration of doping fullerene molecules in it and in proportion to the number of trapped electrons, on average, per doping fullerene molecule (relative resonance concentration of doping fullerene molecules).

Предложен также способ синтеза нанокомпозитного термоэлектрика с неизменной концентрацией носителей заряда по отношению к исходному материалу нанокристалла и с заданной концентрацией легирующих молекул фуллерена в нанокомпозитном термоэлектрике, при котором концентрацию электронов в исходном материале нанокристалла термоэлектрика предварительно увеличивают объемным легированием для компенсации легирующего эффекта добавляемых легирующих молекул фуллерена.A method is also proposed for synthesizing a nanocomposite thermoelectric with a constant concentration of charge carriers with respect to the starting material of the nanocrystal and with a given concentration of doping fullerene molecules in the nanocomposite thermoelectric, in which the electron concentration in the starting material of the nanocrystal of the thermoelectric is preliminarily increased by volume doping to compensate for the doping effect of the added doping fullerene molecules.

В заявляемом изобретении свойство молекул фуллерена забирать электроны из нанокристаллов обеспечивают выбором "резонансных" концентраций молекул фуллерена в композите, при которых происходит эффективный захват электронов молекулами. Наличие таких резонансных концентраций обусловлено набором собственных значений ψn (где n=1, 2, 3....) волновой функции захваченных электронов в молекулах фуллеренов. Эффективный захват происходит, когда энергия W электрического поля Е на границе раздела нанокристаллов термоэлектрика и слоя фуллеренов совпадает по величине с энергиями Wn собственных значений волновой функции захваченного электрона. Наличие таких резонансных значений проявляется, например, в немонотонной зависимости величины сечения захвата электронов свободными молекулами фуллерена С60 в скрещенных пучках (Jaffke Т., Illenbergen Е., Lezius М., Matejcik S., Smith D. and Mark T.D. Formatin of

Figure 00000001
and
Figure 00000002
by free electron capture. Activation energy and effect of the internal energy on lifetime. // Chem. Phys. Lett., 226 (1994) 213; Huang J., Carman H.S. and Compton R.N. Low-Energy electron attachment to C60 // J.Phys. Chem., 99 (1995) 1719; Туктаров Р.Ф., Ахметьянов Р.Ф., Шиховцева E.C., Лебедев Ю.А., Мазунов В.А. Плазменные колебания в молекулах фуллеренов при электронном захвате. // Письма ЖЭТФ 81, №4, 207-211 (2005).)In the claimed invention, the property of fullerene molecules to pick up electrons from nanocrystals is provided by the choice of "resonant" concentrations of fullerene molecules in the composite, at which the effective capture of electrons by molecules occurs. The presence of such resonant concentrations is due to a set of eigenvalues ψ n (where n = 1, 2, 3 ....) of the wave function of trapped electrons in fullerene molecules. Effective capture occurs when the energy W of the electric field E at the interface between the nanocrystals of the thermoelectric and the fullerene layer coincides in magnitude with the energies W n of the eigenvalues of the wave function of the captured electron. The presence of such resonance values is manifested, for example, in the nonmonotonic dependence of the electron capture cross section for free C 60 fullerene molecules in crossed beams (Jaffke T., Illenbergen E., Lezius M., Matejcik S., Smith D. and Mark TD Formatin of
Figure 00000001
and
Figure 00000002
by free electron capture. Activation energy and effect of the internal energy on lifetime. // Chem. Phys. Lett., 226 (1994) 213; Huang J., Carman HS and Compton RN Low-Energy electron attachment to C 60 // J.Phys. Chem., 99 (1995) 1719; Tuktarov R.F., Akhmetyanov R.F., Shikhovtseva EC, Lebedev Yu.A., Mazunov V.A. Plasma vibrations in fullerene molecules during electron capture. // Letters of ZhETF 81, No. 4, 207-211 (2005).)

В свою очередь, величина энергии W электрического поля Е на границе раздела нанокристаллов термоэлектрика и слоя фуллеренов определяется радиусом нанокристаллов R, числом NC60 молекул фуллерена на поверхности нанокристалла и средним количеством электронов k, захваченных одной молекулой (коэффициент захвата).In turn, the energy W of the electric field E at the interface between the nanocrystals of the thermoelectric and the fullerene layer is determined by the radius of the nanocrystals R, the number N C60 of fullerene molecules on the surface of the nanocrystal, and the average number of electrons k captured by one molecule (capture coefficient).

А именно, в приближении сферической формы нанокластеров термоэлектрика, напряженность электрического поля Е на границе раздела нанокристаллов термоэлектрика и слоя фуллеренов С60 описывается законом Пуассона:Namely, in the approximation of the spherical shape of thermoelectric nanoclusters, the electric field E at the interface between thermoelectric nanocrystals and the C 60 fullerene layer is described by Poisson's law:

Figure 00000003
Figure 00000003

где ε0=8,85 10-12 Кл2/(Дж м) - диэлектрическая постоянная;where ε 0 = 8.85 10 -12 C 2 / (J m) is the dielectric constant;

е- заряд электрона;e is the charge of an electron;

N=kNC60 - количество зарядов электронов, выраженное через количество молекул NC60 на поверхности частицы и количество электронов k, захваченных каждой молекулой.N = kN C60 is the number of electron charges, expressed in terms of the number of N C60 molecules on the surface of the particle and the number of electrons k captured by each molecule.

Свободный электрон в таком поле на характерном размере h молекулы С60 приобретает энергию:A free electron in such a field at a characteristic size h of the C 60 molecule acquires energy:

Figure 00000004
Figure 00000004

Из (1) и (2) получаем соотношение для набора (NC60)n резонансных значений количества молекул на поверхности наночастицы, которое обеспечивает резонансную энергию захвата W=Wn:From (1) and (2) we obtain the relation for a set of (N C60 ) n resonance values of the number of molecules on the surface of the nanoparticle, which provides the resonance capture energy W = W n :

Figure 00000005
Figure 00000005

Эти значения позволяют определить набор резонансных значений zn объемной концентрации фуллерена (например С60) в композите:These values allow us to determine the set of resonant values of z n volumetric concentration of fullerene (for example, C 60 ) in the composite:

Figure 00000006
Figure 00000006

здесь VC60 - объем слоя фуллерена на поверхности нанокристалла термоэлектрика объемом VТЭ; v - объем 1 молекулы фуллерена, равный 1 нм3 для фуллерена С60. Подставляя в (4) выражение (3) получаем соотношение:here V C60 is the volume of the fullerene layer on the surface of a thermoelectric nanocrystal with a volume of V TE ; v is the volume of 1 molecule of fullerene, equal to 1 nm 3 for fullerene C 60 . Substituting expression (3) in (4), we obtain the relation:

Figure 00000007
Figure 00000007

При этих значениях объемной концентрации фуллерена в нанокомпозите происходит уменьшение объемной концентрации свободных электронов в полупроводниках с электронным типом проводимости на величину kzn/v100 в расчете на 1 см3. И, наоборот, в полупроводниках с дырочным типом проводимости происходит увеличение объемной концентрации дырок на величину kzn/v100 в расчете на 1 см3. Таким образом, осуществляют "резонансное" легирование композиционных термоэлектрических сплавов.At these values of the volume concentration of fullerene in the nanocomposite, the volume concentration of free electrons in semiconductors with the electronic type of conductivity decreases by kz n / v100 per 1 cm 3 . And, conversely, in semiconductors with hole type conductivity, the volume concentration of holes increases by kz n / v100 per 1 cm 3 . Thus, the "resonant" alloying of composite thermoelectric alloys is carried out.

4. Краткое описание чертежей и осуществление изобретения4. A brief description of the drawings and the implementation of the invention

На Фигуре 1 представлены спектры комбинационного рассеяния света (КРС) образца n-типа, содержащего 2 об.% С60 (верхний спектр) и спектр исходного С60 (нижний спектр) для сравнения.The Figure 1 presents the Raman spectra of light (Raman) of an n-type sample containing 2 vol.% C 60 (upper spectrum) and the spectrum of the original C 60 (lower spectrum) for comparison.

На Фигуре 2 представлены спектры комбинационного рассеяния света (КРС) образца р-типа, содержащего 2 об.% С60 (верхний спектр) и спектр исходного С60 (нижний спектр) для сравнения.The Figure 2 presents the Raman spectra of light (Raman) of the p-type sample containing 2 vol.% C 60 (upper spectrum) and the spectrum of the original C 60 (lower spectrum) for comparison.

На Фигуре 3 представлены зависимости удельного сопротивления r (а) и концентрации дырок (б) от z - концентрации фуллерена С60 в образцах Bi0,5Sb1,5Te3.The Figure 3 presents the dependence of the resistivity r (a) and hole concentration (b) on z - the concentration of fullerene C 60 in Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 samples.

В таблице 1 представлены результаты измерения концентрации носителей заряда в образцах n-типа.Table 1 presents the results of measuring the concentration of charge carriers in n-type samples.

В таблице 2 представлены результаты измерения концентрации носителей заряда в образцах р-типа.Table 2 presents the results of measuring the concentration of charge carriers in p-type samples.

В таблице 3. приведены резонансные значения объемной концентрации zn (%) фуллерена С60 в нанокомпозите при различных резонансных значениях энергии захвата Wn и среднем количестве k захваченных электронов на одну молекулу C60.Table 3. shows the resonance values of the volume concentration z n (%) of C 60 fullerene in the nanocomposite at various resonance values of the capture energy W n and the average number k of captured electrons per C 60 molecule.

В таблице 4 приведены результаты измерения относительного изменения концентрации дырок р при резонансных концентрациях С60 и соответствующие этим величинам значения коэффициента захвата k среднего количества электронов каждой молекулой С60.Table 4 shows the results of measuring the relative change in the concentration of holes p at resonant concentrations of C 60 and the values of the capture coefficient k of the average number of electrons of each C 60 molecule corresponding to these values.

Пример 1Example 1

Для изготовления нанокомпозитного термоэлектрика берут следующие материалы. В качестве материала для изготовления нанокристаллов используют термоэлектрик Bi2Te3 n-типа, чистота материала не хуже 10-4. Материал обрабатывают с добавлением С60 (2 объемных %). В качестве материала для легирующих молекул фуллерена берут фуллерен С60 (чистотой 99,98%), молекулы которого имеют сродство к электрону 2,65 эВ, что существенно выше компонент материала нанокристаллов (Bi - 0,95 эВ; Те - 1,97 эВ; Sb - 1,07 эВ).For the manufacture of nanocomposite thermoelectric take the following materials. As a material for the manufacture of nanocrystals using a thermoelectric Bi 2 Te 3 n-type, the purity of the material is not worse than 10 -4 . The material is treated with the addition of C 60 (2% by volume). The fullerene C 60 (99.98% purity), whose molecules have an electron affinity of 2.65 eV, which is significantly higher than the nanocrystal material component (Bi - 0.95 eV; Te - 1.97 eV), is taken as the material for the doping fullerene molecules. ; Sb - 1.07 eV).

В молекулярном кристалле фуллерена расстояние между центрами молекул составляет 10 Å. Следовательно, объем, занимаемый одной молекулой С60, составляет ~10-21 cm-3 и, соответственно, 2 объемных процента (об.%) добавленного С60 соответствует концентрации молекул 2×1019 cm-3. Это означает, что в зависимости от относительной резонансной концентрации легирующих молекул фуллерена k (число захваченных электронов, в среднем приходящихся на одну легирующую молекулу фуллерена) концентрация электронов уменьшится на k×2×1019 cm-3.In a fullerene molecular crystal, the distance between the centers of the molecules is 10 Å. Therefore, the volume occupied by one C 60 molecule is ~ 10 -21 cm -3 and, accordingly, 2 volume percent (vol.%) Of the added C 60 corresponds to a concentration of 2 × 10 19 cm -3 molecules. This means that, depending on the relative resonant concentration of doping fullerene molecules k (the number of trapped electrons per average doping fullerene molecule), the electron concentration will decrease by k × 2 × 10 19 cm -3 .

Исходные материалы (термоэлектрик и фуллерен) предварительно измельчают до размера частиц менее 1 мм, затем загружают в планетарную мельницу АГО-ЗУ. Загрузку материалов в мельницу и все последующие операции с обрабатываемыми материалами вплоть до операции горячего прессования производят в атмосфере Ar (99.999% чистоты) при концентрации кислорода меньше 0,2 ppm в перчаточном боксе с вакуумным шлюзом. Материалы обрабатывают в мельнице при следующих условиях. Частота вращения водила 545 об/мин, частота вращения барабана 1110 об/мин. В качестве мелющих тел используют стальные шары ⌀9 мм. Время обработки материалов 60 мин. Вес загружаемых компонент составляет: 11.47 г термоэлектрика n-типа и 0.05 г С60 (2 объемных %). Отношение веса шаров к весу обрабатываемых материалов 1:10. Затем часть получившейся в результате обработки смеси в количестве 2,5 г загружают в камеру типа поршень-цилиндр с внутренним диаметром 14 мм, спрессовывают при 3,5 кбар и спекают при температуре 395°С в течение 15 мин под давлением 3,5 кбар. Таким образом получают образцы материала в форме дисков. После спекания образцов проводят их анализ.The starting materials (thermoelectric and fullerene) are preliminarily crushed to a particle size of less than 1 mm, then loaded into the AGO-ZU planetary mill. The materials are loaded into the mill and all subsequent operations with the processed materials up to the hot pressing operation are carried out in an Ar atmosphere (99.999% purity) at an oxygen concentration of less than 0.2 ppm in a glove box with a vacuum lock. Materials are processed in a mill under the following conditions. The carrier speed was 545 rpm, the drum speed was 1110 rpm. As grinding media use steel balls ⌀9 mm. Material processing time 60 min. The weight of the loaded components is: 11.47 g of an n-type thermoelectric and 0.05 g of C 60 (2% by volume). The ratio of the weight of the balls to the weight of the processed materials is 1:10. Then, part of the resulting mixture in the amount of 2.5 g is loaded into a piston-cylinder chamber with an inner diameter of 14 mm, pressed at 3.5 kbar and sintered at a temperature of 395 ° C for 15 min under a pressure of 3.5 kbar. In this way, disc-shaped material samples are obtained. After sintering the samples, they are analyzed.

Контроль за состоянием молекул С60 осуществляли методом комбинационного рассеяния света (КРС) следующим образом. Спектры КРС регистрировали на установке с микроскопической приставкой на базе спектрометра TRIAX 552 (Jobin Yvon) и детектора CCD Spec-10, 2KBUV (2048×512) (Princeton Instruments), с системой отрезающих фильтров для подавления возбуждающих лазерных линий. Источником возбуждающего света служат лазеры STABILITE 2017 (Spectra).The state of C 60 molecules was monitored by Raman scattering (Raman) as follows. Raman spectra were recorded on a setup with a microscopic attachment based on a TRIAX 552 spectrometer (Jobin Yvon) and a CCD Spec-10 detector, 2KBUV (2048 × 512) (Princeton Instruments), with a cut-off filter system for suppressing exciting laser lines. The source of exciting light is the STABILITE 2017 (Spectra) lasers.

Спектральный диапазонSpectral range 200-1100 нм200-1100 nm Спектральное разрешениеSpectral resolution 1 см-1 1 cm -1 Длина волны лазера, возбуждающего КРСRaman excitation laser wavelength 514 нм514 nm Пространственное разрешениеSpatial resolution 1-2 мкм1-2 microns

В КРС спектре фуллерена С60 присутствуют десять сильных линий: 273 см-1, 431 см-1, 497 см-1, 708 см-1, 773 см-1, 1099 см-1, 1248 см-1, 1426 см-1, 1469 см-1, 1572 см-1. Линии в области 273 см-1 и 497 см-1 являются дыхательными, их появление связано с одновременным радиальным колебанием всех атомов углерода в молекуле. Линия в области 773 см-1 связана с радиальным колебанием атомов углерода во фрагменте молекулы. Линия в области 1469 см-1 связана с наличием пентагонов в структуре молекулы фуллерена [Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes. M.S.Dresselhaus, G.Dresselhaus and P.C.Eklund. Elsevier Science, 1996].In the Raman spectrum of fullerene C 60 there are ten strong lines: 273 cm -1 , 431 cm -1 , 497 cm -1 , 708 cm -1 , 773 cm -1 , 1099 cm -1 , 1248 cm -1 , 1426 cm -1 , 1469 cm -1 , 1572 cm -1 . The lines in the region of 273 cm -1 and 497 cm -1 are respiratory; their appearance is associated with the simultaneous radial vibration of all carbon atoms in the molecule. The line in the region of 773 cm -1 is associated with the radial vibration of carbon atoms in the fragment of the molecule. A line in the region of 1469 cm -1 is associated with the presence of pentagons in the structure of the fullerene molecule [Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes. MSDresselhaus, G. Dresselhaus and PCEklund. Elsevier Science, 1996].

Основные линии в спектре КРС при возбуждении светом с длиной волны 514 нм находятся в области 273, 497 и 1469 см-1. Именно эти линии и видны на спектрах (Фиг.1), что говорит о том, что молекулы С60 не разрушились в процессе обработки. Отсутствие смещения линии 1469 см-1 позволяет сделать вывод о том, что переноса заряда по известному механизму, сопровождаемому смещением частоты (на 6 см-1 на каждый захваченный молекулой С60 электрон), от нанокристалла Bi2Te3 к молекуле фуллерена не произошло. Малая интенсивность линий фуллерена в спектрах связана с его малой концентрацией в композите. Показанный на Фиг.1 спектр был усреднен по 10 точкам.The main lines in the Raman spectrum when excited by light with a wavelength of 514 nm are in the region of 273, 497 and 1469 cm -1 . It is these lines that are visible on the spectra (Figure 1), which suggests that C 60 molecules did not collapse during processing. The absence of a line displacement of 1469 cm -1 allows us to conclude that charge transfer by a known mechanism, accompanied by a frequency shift (by 6 cm -1 for each electron captured by a C 60 molecule), did not occur from a Bi 2 Te 3 nanocrystal to a fullerene molecule. The low intensity of the fullerene lines in the spectra is associated with its low concentration in the composite. The spectrum shown in FIG. 1 was averaged over 10 points.

При захвате электрона молекулой С60 электрон попадает во внутреннюю полость молекулы, что не сопровождается заметным изменением спектров КР.When an electron is captured by a C 60 molecule, the electron enters the internal cavity of the molecule, which is not accompanied by a noticeable change in the Raman spectra.

Средний размер нанокристаллов в нанокомпозитном термоэлектрике определяют по данным рентгеновской дифракции методом Холла-Вильямсона [G.K.Williamson and W.H Hall. Acta Metallurgies 1, 1953, 22-31]. Средний размер нанокристаллов в образце нанокомпозитного термоэлектрика составляет 30 нм.The average nanocrystal size in a nanocomposite thermoelectric is determined by X-ray diffraction by the Hall-Williamson method [G.K. Williamson and W.H Hall. Acta Metallurgies 1, 1953, 22-31]. The average nanocrystal size in a nanocomposite thermoelectric sample is 30 nm.

На рентгеновских дифрактограммах присутствуют только линии исходного Bi2Te3 n-типа и отсутствуют какие-либо дополнительные линии. В частности, это свидетельствует о том, что отсутствуют кристаллические фазы С60 и С60 находится в виде изолированных молекул фуллерена.On the X-ray diffraction patterns, only lines of the initial Bi 2 Te 3 n-type are present and there are no additional lines. In particular, this indicates that there are no crystalline phases C 60 and C 60 located in the form of isolated fullerene molecules.

Концентрацию носителей в образцах определяют методом измерения коэффициента Холла.The concentration of carriers in the samples is determined by measuring the Hall coefficient.

Измерения производят 4-контактным методом Ван-дер-Пау в постоянном магнитном поле напряженностью 2 тесла. Контакты в виде медных проводников толщиной 0,1 мм приваривают по краям образца термоэлектрика в виде диска диаметром 14 мм и толщиной 1 мм так, чтобы расстояние между контактами было равным, т.е. контакты приваривают на концах двух диаметров диска и эти диаметры составляют угол 90°. Плоскость образца термоэлектрика с контактами располагают перпендикулярно направлению вектора магнитного поля. Измерения проводят при постоянном токе через образец величиной 0,1 А. Концентрацию носителей заряда вычисляют по формуле:Measurements are made by the 4-pin Van der Pauw method in a constant magnetic field with a strength of 2 Tesla. Contacts in the form of copper conductors with a thickness of 0.1 mm are welded along the edges of the thermoelectric sample in the form of a disk with a diameter of 14 mm and a thickness of 1 mm so that the distance between the contacts is equal, i.e. the contacts are welded at the ends of two diameters of the disk and these diameters make an angle of 90 °. The plane of the thermoelectric sample with the contacts is perpendicular to the direction of the magnetic field vector. The measurements are carried out at constant current through a sample of 0.1 A. The concentration of charge carriers is calculated by the formula:

n=1/(q RHav);n = 1 / (q R Hav );

где q - заряд электрона;where q is the electron charge;

RHav - значение коэффициента Холла материала, вычисленное по результатам измерений путем усреднения значений RHC и RHD:, полученных при двух противоположных направлениях вектора магнитного поля:R Hav - the value of the Hall coefficient of the material, calculated according to the measurement results by averaging the values of R HC and R HD : obtained with two opposite directions of the magnetic field vector:

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

Figure 00000010
Figure 00000010

где t - толщина образцов (в метрах), В - магнитное поле (в теслах), Vij,kl - разность потенциалов (в вольтах) между контактами i и j при протекании тока через контакты k и l. Индексы i, j, k, l означают номер контакта (всего используют 4 контакта). Нумерация контактов последовательная по кругу. Знаки «+» и «-» в обозначениях определяют направление тока и магнитного поля.where t is the thickness of the samples (in meters), B is the magnetic field (in tesla), V ij, kl is the potential difference (in volts) between the i and j contacts when current flows through the k and l contacts. The indices i, j, k, l mean the number of the contact (4 contacts are used in total). The numbering of contacts is sequential in a circle. The signs "+" and "-" in the designations determine the direction of the current and magnetic field.

Результаты измерения концентрации носителей заряда приведены в таблице 1.The results of measuring the concentration of charge carriers are shown in table 1.

Как видно из таблицы 1, концентрация электронов (носителей заряда) уменьшилась на 7×1019 см-3. Концентрацию положительных носителей заряда обозначают буквой р, а отрицательных - n. В общем случае концентрацию обозначают K, подразумевая положительный знак для положительных зарядов и отрицательный - для отрицательных. Это обусловлено возможностью захвата одной молекулой С60 одновременно 2-х и более электронов. Из таблицы 1 определяют резонансную концентрацию легирующих молекул фуллерена: на одну молекулу фуллерена приходится в среднем 3,5 электронов (k=3,5).As can be seen from table 1, the concentration of electrons (charge carriers) decreased by 7 × 10 19 cm -3 . The concentration of positive charge carriers is denoted by the letter p, and the negative by n. In the general case, the concentration is denoted by K, implying a positive sign for positive charges and a negative sign for negative ones. This is due to the possibility of capturing by a single C 60 molecule at the same time 2 or more electrons. From table 1, the resonant concentration of the doping fullerene molecules is determined: on average, 3.5 electrons (k = 3.5) fall on one fullerene molecule.

При захвате электрона молекулой С60 электрон попадает во внутреннюю полость молекулы, что не сопровождается заметным изменением спектров КР.When an electron is captured by a C 60 molecule, the electron enters the internal cavity of the molecule, which is not accompanied by a noticeable change in the Raman spectra.

Попав во внутреннюю область шаровой молекулы С60, электрон уже не может покинуть замкнутую молекулу, если его энергия находится в пределах 0,3 эВ ≤E≤18 эВ. Действительно, характерный размер ячейки L С60 - (пентагон или гексагон) - не более 2,8 Å. Это соответствует минимальной энергии электрона (в случае плоской волны де-Бройля), способного покинуть внутренний объем С60 - 18 эВ. Е=p2/2m, p=(h/L), где h - постоянная Планка, m - масса электрона.Once in the inner region of the spherical C 60 molecule, the electron can no longer leave the closed molecule if its energy is in the range of 0.3 eV ≤E≤18 eV. Indeed, the characteristic cell size L C 60 - (pentagon or hexagon) is not more than 2.8 Å. This corresponds to the minimum electron energy (in the case of a de Broglie plane wave), capable of leaving the internal volume C 60 - 18 eV. E = p 2 / 2m, p = (h / L), where h is the Planck constant, m is the mass of the electron.

Минимальная энергия электронов, способных находиться во внутреннем объеме молекулы C60, должна быть больше 0,3 эВ, что определяется из принципа неопределенности диаметром молекулы С60-D≈7 Å и искривлением траектории свободного электрона внутри молекулы С60.The minimum energy of electrons that can be in the internal volume of a C 60 molecule should be more than 0.3 eV, which is determined from the principle of uncertainty with the diameter of the C 60 -D≈7 Å molecule and the curvature of the free electron path inside the C 60 molecule.

В резонансном захвате электрона в указанном диапазоне энергий молекулой С60 последовательно воздействуют следующие факторы:In resonant electron capture in the specified energy range, a C 60 molecule is sequentially affected by the following factors:

1) существенная поляризация молекулы, из-за ее выпуклой формы, при взаимодействии с налетающим электроном;1) significant polarization of the molecule, due to its convex shape, when interacting with an incident electron;

2) ускорение электрона полем иона атома углерода, ближайшего к подлетающему электрону;2) acceleration of an electron by the field of the ion of the carbon atom closest to the approaching electron;

3) отсутствие существенной поляризации молекулы (из-за ее вогнутости) после попадания электрона внутрь молекулы С60.3) the lack of significant polarization of the molecule (due to its concavity) after the electron enters the C 60 molecule.

Соответственно этому, после поляризации молекулы налетающим электроном, электрон ускоряется в поле ближайшего к нему иона углерода и приобретает кинетическую энергию, необходимую для проникновения во внутренний объем С60. Электрон после огибания ядра иона покидает ускоряющий ион, уже находясь во внутреннем объеме молекулы С60. Согласно геометрическим особенностям строения молекулы C60 электрон внутри молекулы не может существенно ее поляризовать. И, следовательно, этот "классический" электрон не может выбраться из молекулы.Accordingly, after polarization of the molecule by an incident electron, the electron accelerates in the field of the carbon ion nearest to it and acquires the kinetic energy necessary for penetration into the internal volume of C 60 . After the rounding of the nucleus of the ion, the electron leaves the accelerating ion, already being in the internal volume of the C 60 molecule. According to the geometric structural features of the C 60 molecule, the electron inside the molecule cannot substantially polarize it. And therefore, this “classic” electron cannot get out of the molecule.

Стабилизация долгоживущих молекулярных отрицательных ионов, таким образом, происходит из-за сброса налетающих электронов атомами углерода в ловушку - внутренний объем молекулы. В итоге формируются ловушки электронов, обеспечивающие легирующий эффект.Stabilization of long-lived molecular negative ions, therefore, occurs due to the discharge of incident electrons by carbon atoms into a trap - the internal volume of the molecule. As a result, electron traps are formed that provide an alloying effect.

Следовательно, в рассмотренном примере были реализованы условия для захвата электронов квантовыми ловушками (легирующими молекулами фуллерена), показан легирующий эффект введения квантовых ловушек (легирующих молекул фуллерена) и определена резонансная концентрация легирующих молекул фуллерена.Therefore, in the considered example, the conditions for electron capture by quantum traps (doping fullerene molecules) were realized, the doping effect of introducing quantum traps (doping fullerene molecules) was shown, and the resonance concentration of doping fullerene molecules was determined.

Пример 2Example 2

Для изготовления нанокомпозитного термоэлектрика берут следующие материалы. В качестве исходного материала для изготовления нанокристаллов берут термоэлектрик р-типа (с дырочной проводимостью) Bi2Te3 содержащий 26 атомарных % Sb2Te3; чистота материала не ниже 10-4. Концентрация основных носителей зарядов (дырок) в исходном материале (рисходная) составляла 1.63×1019 см-3 по данным Холловских измерений. Для улучшения электрических свойств необходимо увеличить концентрацию дырок в нанокомпозитном термоэлектрике (рнанокомпозит) до 4×1019 cm-3. Для этого требуется предварительно определить резонансную концентрацию к.For the manufacture of nanocomposite thermoelectric take the following materials. As the starting material for the manufacture of nanocrystals, a p-type thermoelectric (with hole conductivity) Bi 2 Te 3 containing 26 atomic% Sb 2 Te 3 is taken; the purity of the material is not lower than 10 -4 . The concentration of the main charge carriers (holes) in the initial material (p initial ) was 1.63 × 10 19 cm -3 according to the Hall measurements. To improve the electrical properties, it is necessary to increase the concentration of holes in the nanocomposite thermoelectric (p nanocomposite ) to 4 × 10 19 cm -3 . This requires preliminary determination of the resonant concentration k.

Как и в примере 1, в качестве материала для легирующих молекул фуллерена берут фуллерен С60 (чистотой 99,98%), 4 объемных процента (об.%) добавленного С60 соответствует концентрации молекул 4×1019 cm-3. Это означает, что в случае захвата молекулами C60 в среднем по к электронов (неосновные носители заряда), концентрация дырок увеличится на 4k×1019 cm-3.As in example 1, C 60 fullerene (99.98% purity) is taken as the material for the doping fullerene molecules, 4 volume percent (vol.%) Of added C 60 corresponds to a concentration of molecules of 4 × 10 19 cm -3 . This means that in the case of capture by C 60 molecules on average of electrons (minority charge carriers), the hole concentration will increase by 4k × 10 19 cm -3 .

Исходные материалы (термоэлектрик и фуллерен) предварительно измельчают до размера частиц менее 1 мм, затем загружают в планетарную мельницу АГО-ЗУ. Загрузку материалов в мельницу и все последующие операции с обрабатываемыми материалами вплоть до операции горячего прессования производят в атмосфере Ar (99.999% чистоты) при концентрации кислорода меньше 0,2 ppm в перчаточном боксе с вакуумным шлюзом. Материалы обрабатывают в мельнице при следующих условиях. Частота вращения водила 545 об/мин, частота вращения барабана 1110 об/мин. В качестве мелющих тел используют стальные шары ⌀9 мм. Время обработки материалов 60 мин. Вес загружаемых компонент составляет: 11.47 г термоэлектрика р-типа и 0.1 г С60 (4 объемных %). Отношение веса шаров к весу обрабатываемых материалов 1:10. Затем часть получившейся в результате обработки смеси в количестве 2,5 г загружают в камеру типа поршень-цилиндр с внутренним диаметром 14 мм, спрессовывают при 3,5 кбар и спекают при температуре 395°С в течение 15 мин под давлением 3,5 кбар. Таким образом получают образцы материала в форме дисков. После спекания образцов проводят их анализ.The starting materials (thermoelectric and fullerene) are preliminarily crushed to a particle size of less than 1 mm, then loaded into the AGO-ZU planetary mill. The materials are loaded into the mill and all subsequent operations with the processed materials up to the hot pressing operation are carried out in an Ar atmosphere (99.999% purity) at an oxygen concentration of less than 0.2 ppm in a glove box with a vacuum lock. Materials are processed in a mill under the following conditions. The carrier speed was 545 rpm, the drum speed was 1110 rpm. As grinding media use steel balls ⌀9 mm. Material processing time 60 min. The weight of the loaded components is: 11.47 g of a p-type thermoelectric and 0.1 g of C 60 (4 vol%). The ratio of the weight of the balls to the weight of the processed materials is 1:10. Then, part of the resulting mixture in the amount of 2.5 g is loaded into a piston-cylinder chamber with an inner diameter of 14 mm, pressed at 3.5 kbar and sintered at a temperature of 395 ° C for 15 min under a pressure of 3.5 kbar. In this way, disc-shaped material samples are obtained. After sintering the samples, they are analyzed.

Контроль за состоянием молекул С60, как и в примере 1, осуществлялся методом спектроскопии КРС на установке регистрации спектров КРС с микроскопической приставкой на базе спектрометра TRIAX 552 (Jobin Yvon) и детектора CCD Spec-10, 2KBUV (2048×512) (Princeton Instruments), с системой отрезающих фильтров для подавления возбуждающих лазерных линий. Источником возбуждающего света служат лазеры STABILITE 2017 (Spectra).The state of C 60 molecules was monitored, as in Example 1, by Raman spectroscopy using a Raman spectroscopy setup with a microscopic attachment based on a TRIAX 552 spectrometer (Jobin Yvon) and a CCD Spec-10 detector, 2KBUV (2048 × 512) (Princeton Instruments ), with a system of cut-off filters to suppress exciting laser lines. The source of exciting light is the STABILITE 2017 (Spectra) lasers.

Спектральный диапазонSpectral range 200-1100 нм200-1100 nm Спектральное разрешениеSpectral resolution 1 см-1 1 cm -1 Длина волны лазера, возбуждающего КРСRaman excitation laser wavelength 514 нм514 nm Пространственное разрешениеSpatial resolution 1-2 мкм1-2 microns

Основные линии при возбуждении светом с длиной волны 514 нм находятся в области 273, 497 и 1469 см-1 (среди них самая интенсивная мода - пентагональная). Именно эти линии и видны на спектрах (Фиг.2), что говорит о том, что молекулы С60 не разрушились в процессе обработки. Отсутствие смещения линии 1469 см-1 позволяет сделать вывод о том, что переноса заряда по известному механизму, сопровождаемому смещением частоты (на 6 см-1 на каждый захваченный молекулой С60 электрон), от нанокристалла Вi2Те3 к молекуле фуллерена не произошло. Малая интенсивность линий фуллерена в спектрах связана с его малой концентрацией в композите. Показанный на Фиг.2 спектр был усреднен по 10 точкам.The main lines when excited by light with a wavelength of 514 nm are in the region of 273, 497 and 1469 cm -1 (among them the most intense mode is the pentagonal). It is these lines that are visible on the spectra (Figure 2), which suggests that C 60 molecules did not collapse during processing. The absence of a line displacement of 1469 cm −1 allows us to conclude that charge transfer by a known mechanism, accompanied by a frequency shift (by 6 cm −1 for each electron captured by a C 60 molecule), did not occur from a Bi 2 Te 3 nanocrystal to a fullerene molecule. The low intensity of the fullerene lines in the spectra is associated with its low concentration in the composite. The spectrum shown in FIG. 2 was averaged over 10 points.

Как и в примере 1, при захвате электрона молекулой С60 электрон попадает во внутреннюю полость молекулы, что не сопровождается заметным изменением спектров КР.As in example 1, when an electron is captured by a C 60 molecule, the electron enters the internal cavity of the molecule, which is not accompanied by a noticeable change in the Raman spectra.

Средний размер нанокристаллов в нанокомпозитном термоэлектрике определяют по данным рентгеновской дифракции методом Холла-Вильямсона [G.K.Williamson and W.H Hall. Acta Metallurgica 1, 1953, 22-31]. Средний размер нанокристаллов в образце нанокомпозитного полупроводника составляет 30 нм.The average nanocrystal size in a nanocomposite thermoelectric is determined by X-ray diffraction by the Hall-Williamson method [G.K. Williamson and W.H Hall. Acta Metallurgica 1, 1953, 22-31]. The average nanocrystal size in a nanocomposite semiconductor sample is 30 nm.

На рентгеновских дифрактограммах присутствуют только линии исходного Bi2Te3 n-типа и отсутствуют какие-либо дополнительные линии. В частности, это свидетельствует о том, что отсутствуют какие-либо фазы С60 и С60 находится в виде изолированных молекул фуллерена.On the X-ray diffraction patterns, only lines of the initial Bi 2 Te 3 n-type are present and there are no additional lines. In particular, this indicates that there are no phases of C 60 and C 60 is in the form of isolated fullerene molecules.

Концентрацию носителей в образцах, определяют по эффекту Холла, аналогично примеру 1. Измерения производят 4-контактным методом Ван-дер-Пау в постоянном магнитном поле напряженностью 2 тесла. Контакты в виде медных проводников толщиной 0,1 мм приваривают по краям образца термоэлектрика в виде диска диаметром 14 мм и толщиной 1 мм так, чтобы расстояние между контактами было равным, т.е. контакты приваривают на концах двух диаметров диска и эти диаметры составляют угол 90°. Плоскость образца термоэлектрика с контактами располагают перпендикулярно направлению вектора магнитного поля.The concentration of carriers in the samples is determined by the Hall effect, similarly to example 1. The measurements are carried out using the 4-pin Van der Pauw method in a constant magnetic field with a strength of 2 Tesla. Contacts in the form of copper conductors with a thickness of 0.1 mm are welded along the edges of the thermoelectric sample in the form of a disk with a diameter of 14 mm and a thickness of 1 mm so that the distance between the contacts is equal, i.e. the contacts are welded at the ends of two diameters of the disk and these diameters make an angle of 90 °. The plane of the thermoelectric sample with the contacts is perpendicular to the direction of the magnetic field vector.

Результаты измерения концентрации носителей заряда приведены в таблице 2.The results of measuring the concentration of charge carriers are shown in table 2.

Как видно из таблицы 2, концентрация дырок увеличивается примерно на 5×1019 см-3, для 4% концентрации С60. Из таблицы 2 определяют резонансную концентрацию к легирующих молекул фуллерена: на одну молекулу фуллерена приходится в среднем 1,3 электрона (k=1,3). Зная к, определяют концентрацию (KC60) С60, необходимую для получения нанокомпозитного материала с концентрацией дырок рнанокомпозит=4×1019 см-3 следующим образом: KC60=(pнанокомпозит-pисходная)/k=2×1019 см-3, что соответствует 2 объемным % С60.As can be seen from table 2, the hole concentration increases by about 5 × 10 19 cm -3 , for 4% concentration of C 60 . From table 2, the resonant concentration of dopant fullerene molecules is determined: 1.3 electrons per average fullerene molecule (k = 1.3). Knowing k, determine the concentration (K C60 ) C 60 necessary to obtain a nanocomposite material with a hole concentration p nanocomposite = 4 × 10 19 cm -3 as follows: K C60 = (p nanocomposite -p initial ) / k = 2 × 10 19 cm -3 , which corresponds to 2 volume% C 60 .

Описанную выше процедуру получения нанокомпозитного термоэлектрика повторяют с концентрацией 2 объемных % С60. В полученном таким образом материале концентрация носителей заряда составляет 3,5×1019 см-3 (Таблица 2), что близко к заданным параметрам.The above procedure for producing a nanocomposite thermoelectric is repeated with a concentration of 2 volume% C 60 . In the material thus obtained, the concentration of charge carriers is 3.5 × 10 19 cm -3 (Table 2), which is close to the given parameters.

Следовательно, в рассмотренном примере были реализованы условия для захвата электронов квантовыми ловушками (легирующими молекулами фуллерена), показан легирующий эффект введения квантовых ловушек (легирующих молекул фуллерена) и определена резонансная концентрация к легирующих молекул фуллерена. На основании к определяют концентрацию (KC60) С60, необходимую для получения нанокомпозитного материала с концентрацией дырок pнанокомпозит следующим образом KC60=(pнанокомпозит-pисходная)/k, где pисходная - концентрация основных носителей зарядов (дырок) в исходном термоэлектрике.Therefore, in the considered example, the conditions for electron capture by quantum traps (doping fullerene molecules) were realized, the doping effect of introducing quantum traps (doping fullerene molecules) was shown, and the resonance concentration of doping fullerene molecules was determined. On the basis of k, the concentration (K C60 ) of С 60 is determined to obtain a nanocomposite material with a hole concentration p of the nanocomposite as follows K C60 = (p nanocomposite is p is the original ) / k, where p is the concentration of the main charge carriers (holes) in the original thermoelectricity.

Пример 3Example 3

Для изготовления нанокомпозитного термоэлектрика берут следующие материалы. В качестве исходных материалов для изготовления нанокристаллов берут термоэлектрик р-типа Bi0,5Sb1,5Te3; чистота материала не ниже 10-4. Концентрация основных носителей зарядов (дырок) в исходном материале (рисходная) составляла 1.5×1019 см-3 по данным Холловских измерений. Для снижения теплопроводности без повышения электрического сопротивления необходимо увеличить концентрацию дырок в нанокомпозитном термоэлектрике (pнанокомпозит) до 6×1019 см-3. Для этого требуется предварительно определить резонансную концентрацию zn фуллерена С60.For the manufacture of nanocomposite thermoelectric take the following materials. As starting materials for the manufacture of nanocrystals take p-type thermoelectric Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 ; the purity of the material is not lower than 10 -4 . The concentration of the main charge carriers (holes) in the initial material (p initial ) was 1.5 × 10 19 cm -3 according to the Hall measurements. To reduce thermal conductivity without increasing electrical resistance, it is necessary to increase the concentration of holes in a nanocomposite thermoelectric (p nanocomposite ) to 6 × 10 19 cm -3 . This requires preliminary determination of the resonant concentration z n of fullerene C 60 .

Как и в примере 1, в качестве материала для легирующих молекул фуллерена берут фуллерен С60 (чистотой 99,98%), 0,6 объемных процента (об.%) добавленного С60 соответствует концентрации молекул 0,75×1019 см-3. Это означает, что в случае захвата молекулами С60 в среднем по k=6 электронов, концентрация дырок увеличится на 6×1019 см-3.As in example 1, fullerene C 60 (99.98% purity) is taken as the material for the doping fullerene molecules, 0.6 volume percent (vol.%) Of added C 60 corresponds to a molecular concentration of 0.75 × 10 19 cm -3 . This means that if C 60 molecules capture an average of k = 6 electrons, the hole concentration will increase by 6 × 10 19 cm -3 .

Как и в примере 1, исходные материалы (термоэлектрик и фуллерен) предварительно измельчают до размера частиц менее 1 мм, затем загружают в планетарную мельницу АГО-ЗУ. Загрузку материалов в мельницу и все последующие операции с обрабатываемыми материалами вплоть до операции горячего прессования производят в атмосфере Ar (99.999% чистоты) при концентрации кислорода меньше 0,2 ррm в перчаточном боксе с вакуумным шлюзом. Материалы обрабатывают в мельнице при следующих условиях. Частота вращения водила 545 об/мин, частота вращения барабана 1110 об/мин. В качестве мелющих тел используют стальные шары ⌀9 мм. Время обработки материалов 60 мин. Вес загружаемых компонент составляет: 11.47 г термоэлектрика р-типа и 0.1 г С60 (4 объемных %). Отношение веса шаров к весу обрабатываемых материалов 1:10. Затем часть получившейся в результате обработки смеси в количестве 2,5 г загружают в камеру типа поршень-цилиндр с внутренним диаметром 14 мм, спрессовывают при 3,5 кбар и спекают при температуре 395°С в течение 15 мин под давлением 3,5 кбар. Таким образом, получают образцы материала в форме дисков. После спекания образцов проводят их анализ.As in example 1, the starting materials (thermoelectric and fullerene) are pre-crushed to a particle size of less than 1 mm, then loaded into the AGO-ZU planetary mill. The materials are loaded into the mill and all subsequent operations with the processed materials up to the hot pressing operation are carried out in an Ar atmosphere (99.999% purity) at an oxygen concentration of less than 0.2 ppm in a glove box with a vacuum lock. Materials are processed in a mill under the following conditions. The carrier speed was 545 rpm, the drum speed was 1110 rpm. As grinding media use steel balls ⌀9 mm. Material processing time 60 min. The weight of the loaded components is: 11.47 g of a p-type thermoelectric and 0.1 g of C 60 (4 vol%). The ratio of the weight of the balls to the weight of the processed materials is 1:10. Then, part of the resulting mixture in the amount of 2.5 g is loaded into a piston-cylinder chamber with an internal diameter of 14 mm, pressed at 3.5 kbar and sintered at a temperature of 395 ° C for 15 min under a pressure of 3.5 kbar. In this way, disc-shaped material samples are obtained. After sintering the samples, they are analyzed.

Контроль за состоянием молекул С60, как и в примере 1, осуществлялся методом спектроскопии КРС на установке регистрации спектров КРС с микроскопической приставкой на базе спектрометра TRIAX 552 (Jobin Yvon) и детектора CCD Spec-10, 2KBUV (2048×512) (Princeton Instruments), с системой отрезающих фильтров для подавления возбуждающих лазерных линий. Источником возбуждающего света служат лазеры STABILITE 2017 (Spectra).The state of C 60 molecules was monitored, as in Example 1, by Raman spectroscopy using a Raman spectroscopy setup with a microscopic attachment based on a TRIAX 552 spectrometer (Jobin Yvon) and a CCD Spec-10 detector, 2KBUV (2048 × 512) (Princeton Instruments ), with a system of cut-off filters to suppress exciting laser lines. The source of exciting light is the STABILITE 2017 (Spectra) lasers.

Спектральный диапазонSpectral range 200-1100 нм200-1100 nm Спектральное разрешениеSpectral resolution 1 см-1 1 cm -1 Длина волны лазера, возбуждающего КРСRaman excitation laser wavelength 514 нм514 nm Пространственное разрешениеSpatial resolution 1-2 мкм1-2 microns

Основные линии при возбуждении светом с длиной волны 514 нм находятся в области 273, 497 и 1469 см-1 (среди них самая интенсивная мода - пентагональная). Именно эти линии и видны на спектрах (Фиг.2), что говорит о том, что молекулы С60 не разрушились в процессе обработки. Отсутствие смещения линии 1469 см-1 позволяет сделать вывод о том, что переноса заряда по известному механизму, сопровождаемому смещением частоты (на 6 см-1 на каждый захваченный молекулой С6о электрон), от нанокристалла Bi-Sb-Te к молекуле фуллерена не произошло. Малая интенсивность линий фуллерена в спектрах связана с его малой концентрацией в композите. Показанный на Фиг.2 спектр был усреднен по 10 точкам.The main lines when excited by light with a wavelength of 514 nm are in the region of 273, 497 and 1469 cm -1 (among them the most intense mode is the pentagonal). It is these lines that are visible on the spectra (Figure 2), which suggests that C 60 molecules did not collapse during processing. The absence of a line displacement of 1469 cm -1 allows us to conclude that charge transfer according to the known mechanism, accompanied by a frequency shift (by 6 cm -1 for each electron captured by a C 6 molecule), from a Bi-Sb-Te nanocrystal to a fullerene molecule does not occurred. The low intensity of the fullerene lines in the spectra is associated with its low concentration in the composite. The spectrum shown in FIG. 2 was averaged over 10 points.

Как и в примере 1, при захвате электрона молекулой C60 электрон попадает во внутреннюю полость молекулы, что не сопровождается заметным изменением спектров КР.As in example 1, when an electron is captured by a C 60 molecule, the electron enters the internal cavity of the molecule, which is not accompanied by a noticeable change in the Raman spectra.

Средний размер нанокристаллов в нанокомпозитном термоэлектрике определяют по данным рентгеновской дифракции методом Холла-Вильямсона. Средний размер нанокристаллов в образце нанокомпозитного полупроводника составляет 30 нм.The average nanocrystal size in a nanocomposite thermoelectric is determined by X-ray diffraction by the Hall-Williamson method. The average nanocrystal size in a nanocomposite semiconductor sample is 30 nm.

На рентгеновских дифрактограммах присутствуют только линии исходного Bi0,5Sb1,5Te3 и отсутствуют какие-либо дополнительные линии. В частности, это свидетельствует о том, что отсутствуют какие-либо фазы С60 и С60 находится в виде изолированных молекул фуллерена.On the X-ray diffraction patterns there are only lines of the original Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 and there are no additional lines. In particular, this indicates that there are no phases of C 60 and C 60 is in the form of isolated fullerene molecules.

Концентрацию носителей в образцах, определяют по эффекту Холла, аналогично примеру 1. Измерения производят 4-контактным методом Ван-дер-Пау в постоянном магнитном поле напряженностью 2 тесла. Контакты в виде медных проводников толщиной 0,1 мм приваривают по краям образца термоэлектрика в виде диска диаметром 14 мм и толщиной 1 мм так, чтобы расстояние между контактами было равным, т.е. контакты приваривают на концах двух диаметров диска и эти диаметры составляют угол 90°. Плоскость образца термоэлектрика с контактами располагают перпендикулярно направлению вектора магнитного поля.The concentration of carriers in the samples is determined by the Hall effect, similarly to example 1. The measurements are carried out using the 4-pin Van der Pauw method in a constant magnetic field with a strength of 2 Tesla. Contacts in the form of copper conductors with a thickness of 0.1 mm are welded along the edges of the thermoelectric sample in the form of a disk with a diameter of 14 mm and a thickness of 1 mm so that the distance between the contacts is equal, i.e. the contacts are welded at the ends of two diameters of the disk and these diameters make an angle of 90 °. The plane of the thermoelectric sample with the contacts is perpendicular to the direction of the magnetic field vector.

Для среднего радиуса нанокристаллов R=30 нм, эффективного диаметра молекул фуллерена C60 h=1 нм имеем:For the average nanocrystal radius R = 30 nm, the effective diameter of fullerene molecules C 60 h = 1 nm, we have:

Figure 00000011
Figure 00000011

Соответственно расчетные значения резонансных значений объемной концентрации фуллерена С60 в нанокомпозите при различных резонансных значениях энергии захвата Wn и среднем количестве к захваченных электронов на одну молекулу С60 представлены в Таблице 3.Accordingly, the calculated values of the resonance values of the volume concentration of fullerene C 60 in the nanocomposite at different resonance values of the capture energy W n and the average number k of trapped electrons per C 60 molecule are presented in Table 3.

На Фиг.3. представлены экспериментальные зависимости удельного сопротивления r, концентрации дырок р и их Холловской подвижности от z - концентрации фуллерена С60 в образцах Bi0,5Sb1,5Te3.In figure 3. experimental dependences of the resistivity r, hole concentration p, and their Hall mobility on z — fullerene concentration C 60 in Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 samples are presented.

В таблице 4 приведены результаты измерения относительного изменения концентрации дырок р при резонансных концентрациях С60 и соответствующие этим величинам значения коэффициента захвата k среднего количества электронов каждой молекулой С60.Table 4 shows the results of measuring the relative change in the concentration of holes p at resonant concentrations of C 60 and the values of the capture coefficient k of the average number of electrons of each C 60 molecule corresponding to these values.

Как следует из Таблицы 3 и Таблицы 4, в данных материалах резонансное изменение концентрации свободных носителей заряда наблюдается в области концентраций zn=0,6 и 1,3%. Таким образом осуществляют легирование указанных сплавов с значениями коэффициента захвата k=6 и k=2 соответственно.As follows from Table 3 and Table 4, in these materials a resonant change in the concentration of free charge carriers is observed in the concentration range z n = 0.6 and 1.3%. Thus, alloying of said alloys is carried out with the capture coefficient values k = 6 and k = 2, respectively.

Таким образом, для проявления охарактеризованного в п.1 формулы свойства молекул фуллерена забирать электроны из нанокристаллов термоэлектрика в количестве k штук на 1 молекулу необходимо пользоваться соотношением (5) для выбора объемной концентрации молекул фуллерена в нанокомпозите термоэлектрика с фуллереном. При этом молекулы фуллерена могут быть различные (например С60, С70, С80, С82 и др.). П.2 формулы конкретизирует, что в данном случае в качестве молекул фуллерена применяют С60.Thus, in order to manifest the property of fullerene molecules described in claim 1, to take electrons from thermoelectric nanocrystals in the amount of k pieces per 1 molecule, it is necessary to use relation (5) to select the volume concentration of fullerene molecules in a nanocomposite of a thermoelectric with fullerene. In this case, fullerene molecules can be different (for example, C 60 , C 70 , C 80 , C 82 , etc.). Claim 2 specifies that in this case, C 60 is used as fullerene molecules.

Таблица 1Table 1 Результаты измерения концентрации носителей зарядаCharge carrier concentration measurement results Тип проводимостиConductivity type Концентрация С60
(объемные %)
Concentration C 60
(volume%)
Концентрация носителей
зарядов ×1019 см-3
Carrier concentration
charges × 10 19 cm -3
n - тип (электронная)n - type (electronic) 00 9.59.5 n - тип (электронная)n - type (electronic) 2%2% 2.52.5

Таблица 2table 2 Результаты измерения концентрации носителей зарядаCharge carrier concentration measurement results Тип проводимостиConductivity type Концентрация С60
(объемные %)
Concentration C 60
(volume%)
Концентрация носителей
зарядов ×1019 см-3
Carrier concentration
charges × 10 19 cm -3
p - тип (дырочная)p - type (hole) 00 1.61.6 p - тип (дырочная)p - type (hole) 2%2% 3.53.5 p - тип (дырочная)p - type (hole) 4%four% 77

Таблица 3Table 3 Резонансные значения объемной концентрации zn (%) фуллерена С60 в нанокомпозите при различных резонансных значениях энергии захвата W n и среднем количестве k захваченных электронов на одну молекулу С60 Resonant values of the volume concentration z n (%) of C 60 fullerene in a nanocomposite at different resonance values of the capture energy W n and the average number k of captured electrons per C 60 molecule wn, эВw n , eV 1,51,5 4four 55 66 kk 1one 0,80.8 2,22.2 2,82,8 3,33.3 22 0,40.4 1,11,1 1,41.4 1,651.65 66 0,130.13 0,360.36 0,470.47 0,550.55

Таблица 4Table 4 Относительное изменение концентрации электронов дырок Δр при резонансных концентрациях С60 и соответствующие этим величинам значения коэффициента захвата k среднего количества электронов каждой молекулой С60 в нанокомпозитах с Bi0,5Sb1,5Te3.The relative change in the concentration of hole electrons Δр at resonance concentrations of C 60 and the corresponding values of the capture coefficient k of the average number of electrons by each C 60 molecule in nanocomposites with Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 . Концентрация С60, об.%Concentration C 60 , vol.% NC60, концентрация
C60, см-3
N C60 , concentration
C 60 , cm -3
Δn (или Δр)Δn (or Δр) Число присоединенных электронов на С60 k=Δn/NC60 The number of attached electrons at C 60 k = Δn / N C60
0,60.6 0,75×1019 0.75 × 10 19 4.5×1019 4.5 × 10 19 66 1,31.3 1.6×1019 1.6 × 10 19 3.2×1019 3.2 × 10 19 22

Claims (3)

1. Нанокомпозитный термоэлектрик на основе Bi-Sb-Te с концентрацией носителей заряда Kнанокомпозит, отличающийся тем, что он образован совокупностью нанокристаллов термоэлектрика и распределенных среди них легирующих молекул фуллеренов, забирающих электроны из этих нанокристаллов и являющихся квантовыми ловушками для электронов, при этом объемная концентрация легирующих молекул фуллеренов Kлегир, которые добавлены в термоэлектрик, определена по разности Kнанокомпозит и концентрации носителей заряда в нанокристаллах термоэлектрика Kисходная, деленной на среднее число k забранных из нанокристаллов электронов, приходящихся на одну легирующую молекулу фуллерена, а именно: Kлегир=(Kнанокомпозит-Kисходная)/k, где k=3,5.1. Bi-Sb-Te-based nanocomposite thermoelectric with a concentration of charge carriers K is a nanocomposite , characterized in that it is formed by a combination of thermoelectric nanocrystals and doping fullerene molecules distributed among them, which take electrons from these nanocrystals and are quantum traps for electrons, while the concentration of doping fullerene molecules K legir , which are added to the thermoelectric, is determined by the difference K of the nanocomposite and the concentration of charge carriers in the nanocrystals of the thermoelectric K initial , divided by the average number k of electrons taken from nanocrystals per one doping fullerene molecule, namely: K legir = (K nanocomposite -K initial ) / k , where k = 3.5. 2. Нанокомпозитный термоэлектрик по п.1, отличающийся тем, что легирующие молекулы фуллеренов состоят из молекул фуллерена С60.2. Nanocomposite thermoelectric according to claim 1, characterized in that the doping fullerene molecules are composed of C 60 fullerene molecules. 3. Способ получения нанокомпозитного термоэлектрика на основе Bi-Sb-Te с концентрацией носителей заряда Kнанокомпозит, состоящего из совокупности нанокристаллов термоэлектрика с концентрацией носителей заряда Kисходная и распределенных среди нанокристаллов термоэлектрика легирующих молекул фуллеренов, заключающийся в том, что объемную концентрацию легирующих молекул фуллеренов Kлегир, которые добавляют в нанокомпозитный термоэлектрик, определяют по разности Кнанокомпозит и Kисходная , деленной на среднее число k забранных из нанокристаллов электронов, приходящихся на одну легирующую молекулу фуллерена, а именно: Kлегир=(Kнанокомпозит-Kисходная)/k, где k=3,5. 3. A method of producing a Bi-Sb-Te-based nanocomposite thermoelectric with a charge carrier concentration K; a nanocomposite consisting of a combination of thermoelectric nanocrystals with a charge carrier concentration K is the initial one and doping fullerene molecules distributed among the thermoelectric nanocrystals, which is that the volume concentration of doping fullerene molecules K legier , which is added to the nanocomposite thermoelectric, is determined by the difference between K nanocomposites and K initial , divided by the average number k taken from nanocrysts of electrons per one doping fullerene molecule, namely: K legir = (K nanocomposite -K initial ) / k, where k = 3.5.
RU2010108183/28A 2010-03-09 2010-03-09 Nanocomposite thermoelectric and method of its production RU2474010C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010108183/28A RU2474010C2 (en) 2010-03-09 2010-03-09 Nanocomposite thermoelectric and method of its production

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010108183/28A RU2474010C2 (en) 2010-03-09 2010-03-09 Nanocomposite thermoelectric and method of its production

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010108183A RU2010108183A (en) 2011-09-20
RU2474010C2 true RU2474010C2 (en) 2013-01-27

Family

ID=44758228

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010108183/28A RU2474010C2 (en) 2010-03-09 2010-03-09 Nanocomposite thermoelectric and method of its production

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2474010C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2528338C1 (en) * 2013-05-30 2014-09-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) Nanostructured thermoelectric material
RU2528280C1 (en) * 2013-04-02 2014-09-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) Method of obtaining thermoelectric material

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050241689A1 (en) * 2004-04-30 2005-11-03 Lidong Chen Method of improving thermoelectric figure of merit of high efficiency thermoelectric materials
US20080173344A1 (en) * 2004-12-07 2008-07-24 Minjuan Zhang Nanostructured bulk thermoelectric material
WO2009110815A1 (en) * 2008-02-29 2009-09-11 Siemens Aktiengesellschaft Thermoelectric nanocomposite, method for making the nanocomposite and application of the nanocomposite
EA013089B1 (en) * 2005-12-11 2010-02-26 Скф Технолоджис А/С Production of nano-sized materials

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050241689A1 (en) * 2004-04-30 2005-11-03 Lidong Chen Method of improving thermoelectric figure of merit of high efficiency thermoelectric materials
US20080173344A1 (en) * 2004-12-07 2008-07-24 Minjuan Zhang Nanostructured bulk thermoelectric material
EA013089B1 (en) * 2005-12-11 2010-02-26 Скф Технолоджис А/С Production of nano-sized materials
WO2009110815A1 (en) * 2008-02-29 2009-09-11 Siemens Aktiengesellschaft Thermoelectric nanocomposite, method for making the nanocomposite and application of the nanocomposite

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
N.GOTHARD et al. Thermal conductivity reduction in fullerene-enriched p-type bismuth telluride composites, Physica Status Solidi A, v.207, No.1, 2010, pp.157-162, published online 2009. *
N.GOTHARD et al. Thermal conductivity reduction in fullerene-enriched p-type bismuth telluride composites, Physica Status Solidi A, v.207, №1, 2010, pp.157-162, published online 2009. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2528280C1 (en) * 2013-04-02 2014-09-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) Method of obtaining thermoelectric material
RU2528338C1 (en) * 2013-05-30 2014-09-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) Nanostructured thermoelectric material

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010108183A (en) 2011-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zheng et al. Defect engineering in thermoelectric materials: what have we learned?
Rogl et al. New bulk p-type skutterudites DD0. 7Fe2. 7Co1. 3Sb12− xXx (X= Ge, Sn) reaching ZT> 1.3
Nguyen et al. Spark erosion: a high production rate method for producing Bi0. 5Sb1. 5Te3 nanoparticles with enhanced thermoelectric performance
KR102001062B1 (en) Thermoelectric nano-composite, and thermoelectric module and thermoelectric apparatus comprising same
Yusufu et al. Bottom-up nanostructured bulk silicon: a practical high-efficiency thermoelectric material
Ganguly et al. Synthesis and evaluation of lead telluride/bismuth antimony telluride nanocomposites for thermoelectric applications
US20150068574A1 (en) Methods for high figure-of-merit in nanostructured thermoelectric materials
Bohra et al. Tellurium-free thermoelectrics: Improved thermoelectric performance of n-type Bi2Se3 having multiscale hierarchical architecture
WO2008140596A2 (en) Methods for high figure-of-merit in nanostructured thermoelectric materials
Trivedi et al. Microstructure and doping effect on the enhancement of the thermoelectric properties of Ni doped Dy filled CoSb 3 skutterudites
EP2606160B1 (en) P-type skutterudite material and method of making the same
Ghosh et al. Enhanced thermoelectric properties of in-filled Co4Sb12 with InSb nanoinclusions
Murugasami et al. Simultaneous enhancement in thermoelectric performance and mechanical stability of p-type SiGe alloy doped with Boron prepared by mechanical alloying and spark plasma sintering
Nithiyanantham et al. Low temperature, shape-selective formation of Sb 2 Te 3 nanomaterials and their thermoelectric applications
US11616182B2 (en) Method of producing semiconductor sintered body, electrical/electronic member, and semiconductor sintered body
Gayner et al. Enhanced thermoelectric performance of PbSe-graphene nanocomposite manufactured with acoustic cavitation induced defects
CN101965650B (en) Thermoelectric nanocomposite, method for making the nanocomposite and application of the nanocomposite
US8759662B1 (en) Bulk dimensional nanocomposites for thermoelectric applications
Monikapani et al. Ultra-low thermal conductivity through the reduced phonon lifetime by microstructural and Umklapp scattering in Sn1− xMnxSe nanostructures
Yang et al. Superior Thermoelectric performance of black phosphorus in elemental tellurium
RU2474010C2 (en) Nanocomposite thermoelectric and method of its production
Mukherjee et al. Effect of different surfactants on thermoelectric properties of CuS nanoparticles
Yadav et al. Structural studies and Raman spectroscopy of forbidden zone boundary phonons in Ni‐doped ZnO ceramics
Li et al. Impurity removal leading to high-performance CoSb3-based skutterudites with synergistic carrier concentration optimization and thermal conductivity reduction
Ibrahim et al. Tailoring the thermoelectric properties of Pb1-xSmxTe nanostructures via Sm doping