RU2794354C1 - Method for obtaining nanostructure thermoelectric materials - Google Patents

Method for obtaining nanostructure thermoelectric materials Download PDF

Info

Publication number
RU2794354C1
RU2794354C1 RU2022123033A RU2022123033A RU2794354C1 RU 2794354 C1 RU2794354 C1 RU 2794354C1 RU 2022123033 A RU2022123033 A RU 2022123033A RU 2022123033 A RU2022123033 A RU 2022123033A RU 2794354 C1 RU2794354 C1 RU 2794354C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tem
powder
tems
nanostructured
temperature
Prior art date
Application number
RU2022123033A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Максим Юрьевич Штерн
Виктория Петровна Панченко
Наталья Юрьевна Табачкова
Юрий Исаакович Штерн
Максим Сергеевич Рогачев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Application granted granted Critical
Publication of RU2794354C1 publication Critical patent/RU2794354C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: powder metallurgy.
SUBSTANCE: invention is related in particular to manufacturing nanostructured thermoelectric materials (TEM). It can be used to make thermoelements. TEM based on Bi2Te3, or Sb2Te3, or PbTe, or GeTe, or SiGe is synthesized by direct fusion of the main components, taken in a stoichiometric ratio, with addition of alloying components. Synthesized TEM is ground using a high-energy planetary ball mill with a grinding ball diameter of 5 mm and a mass ratio of balls to TEM of 10:1 to obtain a nanodispersed powder with a predominance of particles from 10 to 100 nm. Powder compaction is carried out by spark plasma sintering.
EFFECT: increase of thermoelectric quality, mechanical strength of TEM, expansion of operating temperature range.
1 cl, 8 dwg, 6 tbl

Description

Изобретение относится к области термоэлектрического преобразования энергии, в частности, к получению термоэлектрических материалов (ТЭМ), из которых изготавливаются термоэлементы, работающие на эффекте Зеебека. Такие термоэлементы являются основой термоэлектрических генераторов, предназначенных для преобразования тепловой энергии в электрическую.The invention relates to the field of thermoelectric energy conversion, in particular, to the production of thermoelectric materials (TEM), from which thermoelements operating on the Seebeck effect are made. Such thermoelements are the basis of thermoelectric generators designed to convert thermal energy into electrical energy.

Эффективность термоэлементов в основном определяется термоэлектрической добротностью (Z) ТЭМ, рассчитываемой по формуле:The efficiency of thermoelements is mainly determined by the thermoelectric figure of merit (Z) of the TEM, calculated by the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где s - термоЭДС; σ - электропроводность; κ - теплопроводность.where s - thermoEMF; σ - electrical conductivity; κ - thermal conductivity.

Необходимо отметить, что для характеристики эффективности ТЭМ при определенной температуре, часто используется безразмерный параметр ZT (Т, термодинамическая температура в К).It should be noted that in order to characterize the efficiency of TEM at a certain temperature, the dimensionless parameter ZT (T, thermodynamic temperature in K) is often used.

Существует два пути повышения Z: первый - увеличение коэффициента мощности

Figure 00000002
второй - снижение теплопроводности ТЭМ.There are two ways to increase Z: the first is to increase the power factor
Figure 00000002
the second is a decrease in the thermal conductivity of the TEM.

Однако заметно увеличить коэффициент мощности по ряду причин пока не удается. В последние два десятилетия значительно выросла активность научных исследований с целью снижения теплопроводности. В этом направление перспективно создание наноструктурированных ТЭМ /1-3/.However, it has not yet been possible to significantly increase the power factor for a number of reasons. In the last two decades, there has been a significant increase in the activity of scientific research with the aim of reducing thermal conductivity. In this direction, the creation of nanostructured TEMs /1-3/ is promising.

Теплопроводность (к) ТЭМ, которые являются полупроводниковыми материалами, определяется: фононной

Figure 00000003
электронной
Figure 00000004
и биполярной
Figure 00000005
составляющими:The thermal conductivity (k) of TEMs, which are semiconductor materials, is determined by: phonon
Figure 00000003
electronic
Figure 00000004
and bipolar
Figure 00000005
components:

Figure 00000006
Figure 00000006

В рабочем интервале температур термоэлемента имеет место фононный и электронный теплоперенос. Биполярная составляющая теплопроводности появляется при температурах, выше максимальной температуры рабочего интервала ТЭМ. Наличие биполярного теплопереноса существенно снижает добротность ТЭМ.In the operating temperature range of the thermoelement, phonon and electronic heat transfer takes place. The bipolar component of thermal conductivity appears at temperatures above the maximum temperature of the TEM operating interval. The presence of bipolar heat transfer significantly reduces the quality factor of the TEM.

Термоэлемент представляет собой термопару, состоящую из ветвей, соединенных последовательно и изготавливаемых из ТЭМ n- и р- типов проводимости. ТЭМ, в большинстве случаев, это легированные твердые растворы: для использования при температурах до 150°С (низкотемпературные ТЭМ) на основе Bi2Te3 (n-типа) и Sb2Te3 (р-типа); для использования при температурах до 300°С (среднетемпературные ТЭМ), также на основе Bi2Te3 и Sb2Te3, но с другими соотношением компонентов и легированием; для температур до 600°С (среднетемпературные ТЭМ) на основе PbTe (n-типа) и GeTe (р-типа). Среднетемпературный интервал распространяется от 150 до 600°С. Для создания термоэлементов, работающих при температурах до 900°С, используются высокотемпературные материалы на основе SiGe (n-типа и р-типов) /3/.The thermoelement is a thermocouple consisting of legs connected in series and made from TEMs of n- and p-types of conductivity. TEMs, in most cases, are doped solid solutions: for use at temperatures up to 150°C (low-temperature TEMs) based on Bi 2 Te 3 (n-type) and Sb 2 Te 3 (p-type); for use at temperatures up to 300°C (medium temperature TEM), also based on Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 , but with a different ratio of components and doping; for temperatures up to 600°C (medium temperature TEMs) based on PbTe (n-type) and GeTe (p-type). The medium temperature range extends from 150 to 600°C. To create thermoelements operating at temperatures up to 900°C, high-temperature materials based on SiGe (n-type and p-types) /3/ are used.

ТЭМ изготавливаются прямым сплавлением компонентов, взятых в соотношении, определяемом стехиометрической формулой (синтез ТЭМ). После синтеза, с целью создания оптимальной структуры для получения максимальных значений Z, ТЭМ подвергаются направленной кристаллизации, как правило, следующими методами: зонной плавки; экструзии; горячего прессования или обработке по методу Бриджмена. Это классические способы получения ТЭМ, которые позволяют достигать значения ZT, порядка 1,0 /3/.TEMs are manufactured by direct fusion of components taken in a ratio determined by a stoichiometric formula (TEM synthesis). After synthesis, in order to create an optimal structure to obtain maximum Z values, TEMs are subjected to directional crystallization, as a rule, by the following methods: zone melting; extrusion; hot pressing or Bridgman processing. These are the classical methods of obtaining TEM, which allow reaching ZT values of the order of 1.0 /3/.

Как было указано выше, перспективным способом увеличения ZT является создание наноструктурированных ТЭМ. Суть этого метода заключается в следующем. Синтезируемые ТЭМ подвергают измельчению до размеров частиц, не превышающих, как правило, 100 нанометров. Затем полученный мелкодисперсный порошок компактируется для получения объемных образцов, в основном, методами горячего прессования или искрового плазменного спекания. Размеры зерен в полученных объемных ТЭМ коррелируют с размером частиц порошка, из которых ТЭМ компактируются. Увеличение Z в наноструктурированных ТЭМ происходит вследствие снижения κф и, соответственно, общей теплопроводности (κ). Фононная теплопроводность снижается за счет интенсивного рассеяния фононов с длинной волны, соизмеримой с размерами зерен в наноструктурированных ТЭМ.As mentioned above, a promising way to increase ZT is the creation of nanostructured TEMs. The essence of this method is as follows. Synthesized TEMs are subjected to grinding to a particle size not exceeding, as a rule, 100 nanometers. Then the resulting fine powder is compacted to obtain bulk samples, mainly by hot pressing or spark plasma sintering. The grain sizes in the obtained bulk TEMs correlate with the size of the powder particles from which the TEMs are compacted. An increase in Z in nanostructured TEMs occurs due to a decrease in κ f and, accordingly, the total thermal conductivity (κ). The phonon thermal conductivity decreases due to intense scattering of phonons with a wavelength commensurate with the grain sizes in nanostructured TEMs.

Различают фононы с короткой длиной свободного пробега, средней длиной и длинноволновые фононы. Все ТЭМ являются твердыми растворами замещения, в которых атомы замещения в кристаллической решетке рассеивают коротковолновые фононы - это основной принцип создания ТЭМ, имеющих низкую теплопроводность. Основной задачей получения наноструктурированных ТЭМ, с размерами зерен до 200 нм, является рассеяние средневолновых фононов, на долю которых приходится до 40% переносимой тепловой энергии /4/. Таким образом, значительно снижается фононная составляющая теплопроводности и, соответственно, общая теплопроводность ТЭМ, что приводит к увеличению Z (формула 1) и эффективности (ZT) ТЭМ в интервале рабочих температур.There are phonons with a short free path, medium length and long-wavelength phonons. All TEMs are substitutional solid solutions, in which substitutional atoms in the crystal lattice scatter short-wavelength phonons - this is the main principle for creating TEMs with low thermal conductivity. The main task of obtaining nanostructured TEMs with grain sizes up to 200 nm is the scattering of medium-wavelength phonons, which account for up to 40% of the transferred thermal energy /4/. Thus, the phonon component of the thermal conductivity and, accordingly, the overall thermal conductivity of the TEM is significantly reduced, which leads to an increase in Z (formula 1) and efficiency (ZT) of the TEM in the range of operating temperatures.

При этом незначительно снижается электропроводность за счет рассеяния носителей заряда на наноструктурах, однако это рассеяние существенно меньше рассеяния фононов в связи с туннелированием электронов /5/.In this case, the electrical conductivity slightly decreases due to the scattering of charge carriers on nanostructures, however, this scattering is significantly less than the scattering of phonons due to electron tunneling /5/.

Известно техническое решение /6/, в котором для увеличения рассеяния фононов (снижения κф и увеличения ZT) в наноструктурированный низкотемпературный ТЭМ на основе низкотемпературного теллурида висмута добавляют нанодисперсные порошки оксидов металлов или кремния, или фуллерены или углеродные нанотрубки. Недостатком данного изобретения является не высокая термоэлектрическая добротность ТЭМ.A technical solution /6/ is known, in which to increase the scattering of phonons (reduce κ f and increase ZT), nanostructured low-temperature TEM based on low-temperature bismuth telluride add nanodispersed powders of metal or silicon oxides, or fullerenes or carbon nanotubes. The disadvantage of this invention is not a high thermoelectric figure of merit of the TEM.

Включения из нанодисперсных порошков снижают электропроводность. Кроме того, невозможно получить равномерное распределение нанодисперсных порошков в ТЭМ.Inclusions from nanosized powders reduce electrical conductivity. In addition, it is impossible to obtain a uniform distribution of nanodispersed powders in TEM.

Известно техническое решение /7/, в котором для низкотемпературных материалов на основе Bi2Te3 и Sb2Te3, полученных прямым сплавлением компонентов, достигается повышение параметра ZT, превосходящего значение 1,0, за счет наноструктурирования и за счет использования в составе ТЭМ, в качестве размольного агента, соединений слоистой структуры на основе сульфидов Мо или W, или BN, или графита, предотвращающих образование агломератов при получении нанодисперсных порошков ТЭМ, и создающих дополнительные центры для рассеяния фононов. Недостатком данного решения является то, что наличие размольного агента в структуре ТЭМ значительно снижает его электропроводность. Также возникают проблемы, связанные с равномерным распределением в ТЭМ размольного агента, т.е. созданием однородного материала. Применяемый в технологии отжиг материалов для равномерного распределения примесей не даст в этом случае положительного эффекта. Кроме того наличие не сплошных, как утверждают авторы, слоев размольных агентов снижает механическую прочность ТЭМ.A technical solution /7/ is known, in which for low-temperature materials based on Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 obtained by direct alloying of components, an increase in the ZT parameter, exceeding the value of 1.0, is achieved due to nanostructuring and due to the use in the composition of TEM , as a grinding agent, compounds of a layered structure based on Mo or W, or BN, or graphite sulfides, which prevent the formation of agglomerates in the preparation of nanodispersed TEM powders and create additional centers for phonon scattering. The disadvantage of this solution is that the presence of a grinding agent in the TEM structure significantly reduces its electrical conductivity. There are also problems associated with the uniform distribution of the grinding agent in the TEM, i.e. creating a homogeneous material. The annealing of materials used in the technology for uniform distribution of impurities will not give a positive effect in this case. In addition, the presence of layers of grinding agents that are not continuous, according to the authors, reduces the mechanical strength of the TEM.

Известно техническое решение /8/, в котором с целью увеличения Z в наноструктурированный низкотемпературный ТЭМ - BixSb2-xTe3 р - типа проводимости, добавляют алмазные частицы размером 3-5 нм для увеличения рассеяния фононов. Таким образом достигается ZT≥1,0. Концентрация алмазных частиц доходит до 15% от объема ТЭМ. Однако наличие алмазных частиц, идеального диэлектрического материала, снижает электропроводность ТЭМ, что негативно сказывается на термоэлектрической добротности. В связи с этим, в литературе нет подтверждения увеличению ZT таких материалов.A technical solution /8/ is known, in which, in order to increase Z, diamond particles 3-5 nm in size are added to a nanostructured low-temperature TEM - Bi x Sb 2-x Te 3 p - type of conductivity, to increase the scattering of phonons. Thus, ZT≥1.0 is achieved. The concentration of diamond particles reaches 15% of the TEM volume. However, the presence of diamond particles, an ideal dielectric material, reduces the electrical conductivity of the TEM, which negatively affects the thermoelectric figure of merit. In this regard, there is no evidence in the literature for an increase in the ZT of such materials.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Способ получения термоэлектрических материалов на основе теллуридов висмута и сурьмы» /9/. Техническим результатом заявленного изобретения является получение высокоэффективных наноструктурированных ТЭМ с высокими механическими и термоэлектрическими свойствами и расширение области их применения. Технический результат достигается прямым синтезом ТЭМ с последующей зонной плавкой. После этого проводят измельчение ТЭМ для получения нанодисперсного порошка с размерами частиц не более 200 нм. Затем производят брикетирование порошка и его компактирование методом горячего прессования. После этого проводят горячую экструзию. Данное техническое решение нетехнологично, так как сложно в производстве, содержит большое число технологических операций. Не имеет смысла проводить направленную кристаллизацию (зонную плавку), после которой материал измельчается до нанодисперсного порошка. Компактирование порошка в течение суток при высокой температуре приводит к его рекристаллизации, то есть образованию крупных зерен в компактируемом ТЭМ, что усугубляется еще и горячей экструзией. Все указанное приводит к потере наноструктуры, обеспечивающей эффект рассеяния фононов и снижение фононной составляющей теплопроводности, приводящих к увеличению эффективности ТЭМ.The closest technical solution adopted for the prototype is the "Method for producing thermoelectric materials based on bismuth and antimony tellurides" /9/. The technical result of the claimed invention is the production of highly efficient nanostructured TEMs with high mechanical and thermoelectric properties and the expansion of their scope. The technical result is achieved by direct synthesis of TEMs followed by zone melting. After that, the TEM is ground to obtain a nanodispersed powder with a particle size of not more than 200 nm. Then the powder is briquetted and compacted by hot pressing. This is followed by hot extrusion. This technical solution is low-tech, as it is difficult to manufacture, contains a large number of technological operations. It makes no sense to carry out directional crystallization (zone melting), after which the material is ground to a nanodispersed powder. Compacting the powder for a day at high temperature leads to its recrystallization, i.e., the formation of large grains in the compacted TEM, which is further aggravated by hot extrusion. All of the above leads to the loss of the nanostructure, which provides the effect of phonon scattering and a decrease in the phonon component of thermal conductivity, leading to an increase in the TEM efficiency.

Задачей заявленного изобретения является повышение термоэлектрической добротности (Z) и, соответственно, эффективности (ZT) среднетемпературных ТЭМ на основе Bi2Te3 или Sb2Te3 или PbTe или GeTe и высокотемпературных ТЭМ на основе SiGe, предназначенных для изготовления генераторных термоэлементов, работающих на эффекте Зеебека при температурах из интервала от 150 до 900°С.The objective of the claimed invention is to increase the thermoelectric figure of merit (Z) and, accordingly, the efficiency (ZT) of medium-temperature TEMs based on Bi 2 Te 3 or Sb 2 Te 3 or PbTe or GeTe and high-temperature TEMs based on SiGe, intended for the manufacture of generator thermoelements operating on Seebeck effect at temperatures from 150 to 900°C.

Для достижения поставленной задачи предложен способ получения наноструктурированных термоэлектрических материалов (ТЭМ), включающий синтез ТЭМ, измельчение синтезированного ТЭМ в инертной среде с получениям порошка и компактирование упомянутого порошка с формированием наноструктурированного ТЭМ, отличающийся тем, что синтезируют ТЭМ на основе Bi2Te3 или Sb2Te3 или PbTe или GeTe или SiGe путем прямого сплавления основных компонентов, взятых в стехиометрическом соотношении, с добавлением легирующих компонентов, синтезированный ТЭМ измельчают с помощью высокоэнергетической планетарной шаровой мельницы при диаметре размольных шаров 5 мм и соотношении массы шаров и ТЭМ 10:1 до получения нанодисперсного порошка с преобладанием частиц от 10 до 100 нм, а компактирование порошка осуществляют искровым плазменным спеканием (ИПС).To achieve this task, a method is proposed for obtaining nanostructured thermoelectric materials (TEM), including the synthesis of TEM, grinding the synthesized TEM in an inert medium to obtain a powder and compacting said powder to form a nanostructured TEM, characterized in that TEM is synthesized based on Bi 2 Te 3 or Sb 2 Te 3 or PbTe or GeTe or SiGe by direct fusion of the main components, taken in a stoichiometric ratio, with the addition of alloying components, the synthesized TEM is ground using a high-energy planetary ball mill with a grinding ball diameter of 5 mm and a mass ratio of balls and TEM of 10:1 to obtaining a nanodispersed powder with a predominance of particles from 10 to 100 nm, and the compaction of the powder is carried out by spark plasma sintering (SPS).

В результате искрового плазменного спекания порошка, с преобладанием частиц от 10 до 100 нм, получают объемные наноструктурированные образцы ТЭМ с соответствующим размером зерен. Указанные размеры зерен эффективно рассеивают фононы со средней длинной свободного пробега, на долю которых приходится до 40% переносимой тепловой энергии, что приводит к увеличению термоэлектрической добротности (Z) ТЭМ.As a result of spark plasma sintering of the powder, with a predominance of particles from 10 to 100 nm, bulk nanostructured TEM samples with the appropriate grain size are obtained. These grain sizes effectively scatter phonons with a mean free path, which account for up to 40% of the transferred thermal energy, which leads to an increase in the thermoelectric figure of merit (Z) of the TEM.

Определение дисперсности порошка и структуры (размер зерен) объемных наноструктурированных ТЭМ проводили с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Для исследований применялся просвечивающий электронный микроскоп JEM 2100 высокого разрешения (фирмы JEOL, Япония), ускоряющее напряжение 200 кВ.Determination of powder dispersion and structure (grain size) of bulk nanostructured TEMs was carried out using transmission electron microscopy. A JEM 2100 high-resolution transmission electron microscope (JEOL, Japan) with an accelerating voltage of 200 kV was used for the studies.

Элементный состав порошков и полученных после ИПС образцов объемных наноструктурированных ТЭМ определяли на растровом электронном микроскопе JSM-6480LV (фирмы JEOL, Япония) с приставкой для энерго-дисперсионной спектрометрии INCA DRY COOL (фирмы OXFORD INSTRUMENTS, Великобритания).The elemental composition of powders and bulk nanostructured TEM samples obtained after SPS was determined using a JSM-6480LV scanning electron microscope (JEOL, Japan) with an INCA DRY COOL energy-dispersive spectrometry attachment (OXFORD INSTRUMENTS, Great Britain).

Для определения электропроводности, термоЭДС и теплопроводности наноструктурированных ТЭМ использовали методику, представленную в работе /10/. Теплопроводность определяли абсолютным стационарным методом. По полученным данным рассчитывали Z и ZT.To determine the electrical conductivity, thermopower and thermal conductivity of nanostructured TEMs, the technique presented in /10/ was used. The thermal conductivity was determined by the absolute stationary method. Based on the data obtained, Z and ZT were calculated.

Плотность полученного объемного наноструктурированного ТЭМ определяли методом гидростатического взвешивания.The density of the resulting bulk nanostructured TEM was determined by hydrostatic weighing.

Измерение микротвердости по Виккерсу проводили с использованием микротвердомера ПМТ-3М по восстановленному отпечатку от индентора.Vickers microhardness was measured using a PMT-3M microhardness tester using the reconstructed indenter imprint.

Для объяснения сущности изобретения представлены рисунки:To explain the essence of the invention, the following figures are presented:

На фиг. 1 представлена зависимость размера частиц порошка SiGe (2,2 вес. % Р) от времени помола при использовании размольных шаров разного диаметра.In FIG. Figure 1 shows the dependence of the particle size of the SiGe powder (2.2 wt.% P) on the grinding time when using grinding balls of different diameters.

На фиг. 2 представлена зависимость размера частиц порошка SiGe (2,2 вес. % Р) от времени помола при различном соотношении масс шаров и ТЭМ.In FIG. Figure 2 shows the dependence of the particle size of the SiGe powder (2.2 wt. % P) on the grinding time at various ratios of the masses of the balls and TEM.

На фиг. 3 представлена зависимость размера частиц порошка SiGe (2,2 вес. % Р) от времени помола при различных скоростях вращения планетарного диска шаровой мельницы.In FIG. Figure 3 shows the dependence of the particle size of the SiGe powder (2.2 wt.% P) on the grinding time at various speeds of rotation of the planetary disk of the ball mill.

На фиг. 4 представлена зависимость размеров частиц порошков ТЭМ от времени помола при оптимальных режимах измельчения.In FIG. Figure 4 shows the dependence of the particle sizes of TEM powders on the grinding time under optimal grinding conditions.

На фиг. 5 представлена зависимость Z от температуры искрового плазменного спекания для ТЭМ: 1) Si0,8Ge0,2 (легирован 2,2 вес. % Р); 2) Si0,8Ge0,2 (легирован 0,78 вес. % В); 3) PbTe (легирован 0,2 вес. % PbI2 и 0,3 вес. % Ni); 4) Ge0,96Bi0,04Te; 5) Bi2Te2,85Se0,15 (легирован 0,4 вес. % Bi11Se12Cl9); 6) Bi0,5Sb1,5Te2,92Se0,08 (легирован 3 вес. % Теизб., 0,3 вес. % Pb и 1,7 вес. % Se).In FIG. Figure 5 shows the dependence of Z on the temperature of spark plasma sintering for TEM: 1) Si 0.8 Ge 0.2 (doped with 2.2 wt.% P); 2) Si 0.8 Ge 0.2 (doped with 0.78 wt% B); 3) PbTe (doped with 0.2 wt.% PbI 2 and 0.3 wt.% Ni); 4) Ge 0.96 Bi 0.04 Te; 5) Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 (doped with 0.4 wt.% Bi 11 Se 12 Cl 9 ); 6) Bi 0.5 Sb 1.5 Te 2.92 Se 0.08 (doped with 3 wt% Te, 0.3 wt% Pb and 1.7 wt% Se).

На фиг. 6 представлена дифрактограмма от образца Si0,8Ge0,2 (2,2 вес. % Р).In FIG. 6 shows a diffraction pattern from a sample of Si 0.8 Ge 0.2 (2.2 wt.% P).

На фиг. 7 представлена дифрактограмма от образца Si0,8Ge0,2 (0,78 вес. % В).In FIG. 7 shows a diffraction pattern from a sample of Si 0.8 Ge 0.2 (0.78 wt.% B).

На фиг. 8 представлена зависимость параметра ZT наноструктурированных ТЭМ: 1) Si0,8Ge0,2 (легирован 2,2 вес. % Р); 2) Si0,8Ge0,2 (легирован 0,78 вес. % В); 3) PbTe (легирован 0,2 вес. % PbI2 и 0,3 вес. % Ni); 4) Ge0,96Bi0,04Te; 5) Bi2Te2,85Se0,15 (легирован 0,4 вес. % Bi11Se12Cl9); 6) Bi0,5Sb1,5Te2,92Se0,08 (легирован 3 вес. % Теизб., 0,3 вес. % Pb и 1,7 вес. % Se).In FIG. Figure 8 shows the dependence of the ZT parameter of nanostructured TEMs: 1) Si 0.8 Ge 0.2 (doped with 2.2 wt % P); 2) Si 0.8 Ge 0.2 (doped with 0.78 wt% B); 3) PbTe (doped with 0.2 wt.% PbI 2 and 0.3 wt.% Ni); 4) Ge 0.96 Bi 0.04 Te; 5) Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 (doped with 0.4 wt.% Bi 11 Se 12 Cl 9 ); 6) Bi 0.5 Sb 1.5 Te 2.92 Se 0.08 (doped with 3 wt% Te, 0.3 wt% Pb and 1.7 wt% Se).

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.The proposed method is carried out as follows.

Синтез ТЭМ: на основе Bi2Te3 или Sb2Te3 или PbTe или GeTe проводили в качающейся муфельной печи, а на основе SiGe, в вакуумной литьевой машине Indutherm VTC 200 V прямым сплавлением основных компонентов, взятых в стехиометрическом соотношении, с добавлением легирующих компонентов. После синтеза ТЭМ измельчали с помощью дробилки ЩД - 6 и мельницы ножевого типа IKA A11 в инертной среде в перчаточном боксе "Plas-Labs" до размера частиц порядка 250 мкм. Полученный порошок помещали в стаканы из нержавеющей стали с металлическими размольными шарами диаметром 5 мм и дополнительно измельчали с помощью высокоэнергетической планетарной шаровой мельницы "Retsch РМ400 МА» до получения нанодисперсного порошка с преобладанием частиц из интервала от 10 до 100 нм. Соотношение массы шаров и ТЭМ составляло 10:1, скорость вращения планетарного диска шаровой мельницы 400 об/мин. Измельчение проводили в течение 60 мин.Synthesis of TEMs: based on Bi 2 Te 3 or Sb 2 Te 3 or PbTe or GeTe was carried out in a rocking muffle furnace, and based on SiGe, in an Indutherm VTC 200 V vacuum casting machine by direct alloying of the main components, taken in a stoichiometric ratio, with the addition of alloying components. After synthesis, TEMs were crushed using a ShchD-6 crusher and an IKA A11 knife-type mill in an inert medium in a Plas-Labs glove box to a particle size of about 250 μm. The resulting powder was placed in stainless steel beakers with metal grinding balls 5 mm in diameter and additionally ground using a Retsch PM400 MA high-energy planetary ball mill to obtain a nanodispersed powder with a predominance of particles in the range from 10 to 100 nm. The ratio of the mass of balls and TEM was 10:1, the speed of rotation of the planetary disk of the ball mill 400 rpm Grinding was carried out for 60 minutes.

Указанная дисперсность порошков (от 10 до 100 нм) является оптимальной по следующим причинам. Размер зерен в компактируемом (объемном) материале коррелирует с дисперсностью исходного порошка ТЭМ. В то же время установлено, что при получении порошков с дисперсностью менее десяти нанометров, в процессе помола активно происходит их объединение в агломераты больших размеров, от сотен нанометров до микрон. Наблюдается также эффект наклепа, увеличивающий размеры частиц. Кроме того, в процессе ИПС, происходящем при повышенных температурах, при преобладании порошков минимальных размеров (менее 10 нм) с высокой удельной поверхностью, увеличивается вероятность рекристаллизации с образованием в компактируемых образцах зерен большого размера. При искровом плазменном спекании порошков с преобладанием частиц из интервала 10 до 100 нм, получали объемные наноструктурированные образцы ТЭМ с соответствующими размерами зерен в структуре ТЭМ (табл. 1). Зерна такого размера эффективно рассеивают средневолновые фононы, на долю которых приходится до 40% переносимой энергии. При увеличении доли частиц в компактируемом порошке с размерами от 50 до 150 нм, размеры зерен увеличивались до 300 нм. При компактировании порошка с размером частиц от 80 до 200 нм, в ТЭМ преобладали зерна размером до 500 нм (табл. 1). Зерна таких размеров не рассеивают фононы со средней длинной свободного пробега.The indicated dispersion of powders (from 10 to 100 nm) is optimal for the following reasons. The grain size in the compacted (bulk) material correlates with the fineness of the initial TEM powder. At the same time, it has been established that when obtaining powders with a dispersion of less than ten nanometers, during the grinding process, they are actively combined into large agglomerates, from hundreds of nanometers to microns. There is also a hardening effect, which increases the particle size. In addition, in the SPS process occurring at elevated temperatures, with the predominance of powders of minimum size (less than 10 nm) with a high specific surface area, the probability of recrystallization increases with the formation of large grains in compacted samples. During spark plasma sintering of powders with a predominance of particles from the range of 10 to 100 nm, bulk nanostructured TEM samples with corresponding grain sizes in the TEM structure were obtained (Table 1). Grains of this size effectively scatter medium-wavelength phonons, which account for up to 40% of the transferred energy. With an increase in the proportion of particles in the compacted powder with sizes from 50 to 150 nm, the grain sizes increased to 300 nm. When compacting powder with a particle size of 80 to 200 nm, grains up to 500 nm in size dominated in TEM (Table 1). Grains of such sizes do not scatter phonons with an average long free path.

Экспериментальные данные для различных технологических параметров, как пример, представлены для ТЭМ - SiGe (легирован 2,2 вес. % Р), n-типа. Для ТЭМ на основе Bi2Te3, Sb2Te3, PbTe, GeTe и SiGe (легирован 0,78 вес. % В) получили аналогичные зависимости с некоторыми отклонениями по средним размерам частиц порошка, что будет представлено на фиг. 4.Experimental data for various technological parameters, as an example, are presented for TEM - SiGe (doped with 2.2 wt.% P), n-type. For TEMs based on Bi 2 Te 3 , Sb 2 Te 3 , PbTe, GeTe and SiGe (doped with 0.78 wt.% B), similar dependences were obtained with some deviations in the average sizes of powder particles, which will be presented in Fig. 4.

Figure 00000007
Figure 00000007

Таким образом, увеличение размеров зерен в структуре ТЭМ снижает эффективность рассеяния фононов со средней длинной свободного пробега, что негативно сказывается на снижении фононной составляющей теплопроводности.Thus, an increase in the grain size in the TEM structure reduces the efficiency of scattering of phonons with an average long free path, which negatively affects the decrease in the phonon component of thermal conductivity.

При отработке технологии получения порошков использовались размольные шары диаметром: 3; 5 и 10 мм и соотношения масс шаров и ТЭМ: 5:1; 10:1 и 15:1. Экспериментально установлен оптимальный диаметр шаров 5 мм и соотношение массы шаров и ТЭМ 10:1, позволяющий получать порошок с преобладанием частиц от 10 до 100 нм (фиг. 1 и 2).Использование размольных шаров с диаметром 10 мм (фиг. 1) и соотношения масс шаров и ТЭМ 15:1 (фиг. 2) приводит к снижению времени получения порошка (времени помола) с минимальными размерами. Однако увеличение размера шаров и их количества приводит к интенсивному их взаимодействию между собой и с ТЭМ с выделением существенной тепловой энергией при ударах. Это приводит к разрушению шаров и увеличению температуры стаканов, в которых помещаются ТЭМ и шары, а также к увеличению температуры рабочего барабана мельницы. Увеличение температуры активизирует процесс агломерации и наклепа частиц порошка, в связи с этим увеличивается размер порошка. К тому же в порошке наблюдается фрагменты железа, снижающие эффективность ТЭМ.When developing the technology for obtaining powders, grinding balls with a diameter of: 3; 5 and 10 mm and mass ratio of balls and TEM: 5:1; 10:1 and 15:1. The optimal ball diameter of 5 mm and the ratio of the mass of balls and TEM 10:1 were experimentally established, which makes it possible to obtain a powder with a predominance of particles from 10 to 100 nm (Fig. 1 and 2). The use of grinding balls with a diameter of 10 mm (Fig. 1) and the ratio the mass of the balls and TEM 15:1 (Fig. 2) leads to a decrease in the time to obtain a powder (grinding time) with a minimum size. However, an increase in the size of the balls and their number leads to their intense interaction with each other and with the TEM with the release of significant thermal energy during impacts. This leads to the destruction of the balls and an increase in the temperature of the glasses in which the TEM and balls are placed, as well as to an increase in the temperature of the working drum of the mill. An increase in temperature activates the process of agglomeration and work hardening of powder particles, in connection with this, the size of the powder increases. In addition, iron fragments are observed in the powder, which reduce the efficiency of TEM.

Снижение размера шаров до 3 мм и соотношения массы шаров и ТЭМ 5:1 приводит к увеличению времени помола (фиг. 1 и 2).Reducing the size of the balls to 3 mm and the ratio of the mass of the balls and TEM 5:1 leads to an increase in the grinding time (Fig. 1 and 2).

Зависимость размера частиц порошка от скорости вращения планетарного диска шаровой мельницы, на котором закреплены стаканы с ТЭМ, представлена на фиг. 3. При скоростях 200 и 300 об/мин не удается получить порошок с размером частиц порядка 10 нм. Увеличение скорости до 500 об/мин снижает время достижения минимальных размеров частиц. Однако не удается получить порошок с размером частиц порядка 10 нм. Это связано с тем, что при скорости 500 об/мин интенсифицируется процесс образования агломератов и наклепа частиц порошка. Это происходит из-за того, что с увеличением скорости вращения увеличивается температура процесса. Таким образом, на основании эксперимента установлена оптимальная скорость вращения планетарного диска - 400 об/мин (фиг. 3)The dependence of the particle size of the powder on the speed of rotation of the planetary disk of the ball mill, on which the glasses with the TEM are fixed, is shown in Fig. 3. At speeds of 200 and 300 rpm, it is not possible to obtain a powder with a particle size of the order of 10 nm. Increasing the speed to 500 rpm reduces the time to reach the minimum particle size. However, it is not possible to obtain a powder with a particle size of the order of 10 nm. This is due to the fact that at a speed of 500 rpm, the process of formation of agglomerates and work hardening of powder particles is intensified. This is due to the fact that as the rotation speed increases, the process temperature increases. Thus, on the basis of the experiment, the optimal speed of rotation of the planetary disk is set - 400 rpm (Fig. 3)

При оптимальных режимах получения порошков ТЭМ на основе Bi2Te3 или Sb2Te3 или PbTe или GeTe или SiGe (диаметр шаров 5 мм, соотношение шаров и ТЭМ по массе 10:1, скорость вращения планетарного диска 400 об/мин) интенсивное их измельчение происходит в первые 40 мин (фиг. 4), а минимальные размеры порошков достигаются через 60 мин, с разбросом от 1 до 3 мин для разных ТЭМ. Дальнейшее увеличение времени помола приводит к повышению среднего размера частиц, что связано с агломерированием порошка и явлением наклепа. В связи с этим установлено оптимальное время помола 60 мин.Under optimal conditions for obtaining TEM powders based on Bi 2 Te 3 or Sb 2 Te 3 or PbTe or GeTe or SiGe (ball diameter 5 mm, ratio of balls and TEM by weight 10:1, planetary disk rotation speed 400 rpm), their intensive grinding occurs in the first 40 min (Fig. 4), and the minimum powder sizes are reached after 60 min, with a spread of 1 to 3 min for different TEMs. A further increase in the grinding time leads to an increase in the average particle size, which is associated with powder agglomeration and hardening. In this regard, the optimal grinding time was set to 60 minutes.

Таким образом, установлены следующие оптимальные режимы получения нанодисперсных порошков для ТЭМ на основе: Bi2Te3 или Sb2Te3 или PbTe или GeTe или SiGe: диаметр размольных шаров 5 мм, соотношение масс шаров и ТЭМ 10:1, скорость вращения планетарного диска 400 об/мин, время помола 60 мин.Thus, the following optimal conditions for obtaining nanodispersed powders for TEMs based on Bi 2 Te 3 or Sb 2 Te 3 or PbTe or GeTe or SiGe have been established: the diameter of the grinding balls is 5 mm, the mass ratio of the balls and TEM is 10:1, the rotation speed of the planetary disk 400 rpm, grinding time 60 min.

Получение наноструктурированных объемных образцов ТЭМ из их нанодисперсных порошков осуществлялось методом искрового плазменного спекания на установке SPS 511S следующим образом. Перед загрузкой ТЭМ в установку SPS 511S, для ТЭМ на основе Bi2Te3 или Sb2Te3, из их порошка методом холодного прессования получали брикеты на прессе ПГЛ - 20. Для других ТЭМ эта операция не проводилась. Брикетирование порошков ТЭМ на основе Bi2Te3 и Sb2Te3 необходимо с целью устранения образования пор в объемных наноструктурированных образцах этих ТЭМ в процессе ИПС. Для ТЭМ на основе PbTe, GeTe, и SiGe этого явления не наблюдали.Nanostructured bulk TEM samples were obtained from their nanodispersed powders by spark plasma sintering on an SPS 511S setup as follows. Before loading TEMs into the SPS 511S installation, for TEMs based on Bi 2 Te 3 or Sb 2 Te 3 , briquettes were obtained from their powder by cold pressing on a PGL-20 press. For other TEMs, this operation was not performed. Briquetting of TEM powders based on Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 is necessary to eliminate the formation of pores in bulk nanostructured samples of these TEMs during SPS. For TEMs based on PbTe, GeTe, and SiGe, this phenomenon was not observed.

Порошок ТЭМ на основе PbTe или GeTe или SiGe или брикеты ТЭМ на основе Bi2Te3 или Sb2Te3 помещали в цилиндрическую графитовую прессформу и закрывали пуансонами из графита с двух сторон. Операция проводилась в боксе "Plas-Labs". Собранную таким образом пресс-форму вынимали через шлюз из бокса и размещали в установке SPS 511S. Прессование ТЭМ производилось с помощью гидравлического пресса установки под действием давления на порошок. Заданная температура ИПС регулировалась мощностью подаваемого на порошок электрического тока. Также регулировалось время спекания при заданной температуре. Все параметры технологического процесса ИПС регулировались автоматически по заданной программе.TEM powder based on PbTe or GeTe or SiGe or TEM briquettes based on Bi 2 Te 3 or Sb 2 Te 3 were placed in a cylindrical graphite mold and covered with graphite punches from both sides. The operation was performed in the "Plas-Labs" box. The mold assembled in this way was taken out of the box through the lock and placed in the SPS 511S machine. The TEM was pressed using a hydraulic press of the installation under the action of pressure on the powder. The set temperature of the SPS was controlled by the power of the electric current applied to the powder. The sintering time at a given temperature was also regulated. All parameters of the IPS technological process were controlled automatically according to a given program.

В процессе ИПС, чем ниже температура и время спекания, тем меньше вероятность собирательной рекристаллизации и поэтому будет больше зерен в компактируемом материале, соизмеримых с дисперсностью исходных частиц порошка ТЭМ. Однако при низкой температуре и недостаточном времени возможно не полное спекание частиц порошка. В этом случае получается не однородный, многофазовый ТЭМ. Поэтому, в процессе ИПС, температура и время спекания оптимизируются для каждого ТЭМ отдельно, с учетом данных исследования структуры, фазового анализа наноструктурированного ТЭМ, а также их термоэлектрической добротности (Z).In the SPS process, the lower the sintering temperature and time, the lower the probability of collective recrystallization and, therefore, there will be more grains in the compacted material, commensurate with the dispersion of the initial TEM powder particles. However, at low temperature and insufficient time, incomplete sintering of the powder particles is possible. In this case, a non-uniform, multi-phase TEM is obtained. Therefore, in the process of SPS, the sintering temperature and time are optimized for each TEM separately, taking into account the data of the study of the structure, phase analysis of the nanostructured TEM, as well as their thermoelectric figure of merit (Z).

Оптимальную температуру спекания определяли с учетом температур плавления каждого ТЭМ. Исследования проводили при следующих интервалах ее значений, для ТЭМ на основе: Bi2Te3 и Sb2Te3 при температурах от 300 до 500°С; PbTe, GeTe от 350 до 600°С; SiGe при температурах от 800 до 1200°С. На фиг. 5 представлены результаты зависимости Z от температур спекания. Значения Z представлены для следующего состава ТЭМ: Bi2Te2,85Se0,15 (легирован 0,4 вес. % Bi11Se12Cl9); Bi0,5Sb1,5Te2,92Se0,08 (легирован 3 вес. %Теизб., 0,3 вес. % Pb и 1,7 вес. % Se); PbTe (легирован 0,2 вес. % Pb2 и 0,3 вес. % Ni); Ge0,96Bi0,04Te; Si0,8Ge0,2 (легирован 2,2 вес. %) Р); Si0,8Ge0,2 (легирован 0,78 вес. % В).The optimal sintering temperature was determined taking into account the melting temperatures of each TEM. Studies were carried out at the following intervals of its values, for TEM based on: Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 at temperatures from 300 to 500°C; PbTe, GeTe from 350 to 600°С; SiGe at temperatures from 800 to 1200°C. In FIG. 5 shows the results of the dependence of Z on sintering temperatures. The Z values are given for the following TEM composition: Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 (doped with 0.4 wt % Bi 11 Se 12 Cl 9 ); Bi 0.5 Sb 1.5 Te 2.92 Se 0.08 (doped with 3 wt% Teg , 0.3 wt% Pb and 1.7 wt% Se); PbTe (doped with 0.2 wt.% Pb 2 and 0.3 wt.% Ni); Ge 0.96 Bi 0.04 Te; Si 0.8 Ge 0.2 (doped with 2.2 wt. %) P); Si 0.8 Ge 0.2 (doped with 0.78 wt.% B).

При температурах ниже оптимальных не достигается полной консолидации порошка, получаются не однородные по структуре, т.е. не однофазные ТЭМ и, соответственно, с низким значением Z. Увеличение температуры выше оптимальной влечет повторную рекристаллизацию, сопровождающуюся увеличением зерен и, соответственно, снижение эффекта рассеяния фононов, что отражается на значениях Z.At temperatures below optimal, complete consolidation of the powder is not achieved; non-single-phase TEMs and, accordingly, with a low Z value. An increase in temperature above the optimum leads to repeated recrystallization, accompanied by an increase in grains and, accordingly, a decrease in the effect of phonon scattering, which is reflected in the Z values.

Для определения влияния времени спекания на Z, проводили процесс в течение: 3, 5, 10 и 15 минут при оптимальных температурах спекания. Влияние времени спекания ТЭМ на Z такое же, как при проведении процесса при разных температурах ИПС. При 3 минутах спекания ТЭМ (для SiGe при 3 и 5 мин) не достигается полной консолидации порошка. При исследовании фазового состава ТЭМ наблюдаются области, в которых не происходило спекания порошка. При длительности процесса спекания от 5 до 15 мин получаются однородные однофазные образцы ТЭМ. Однако при увеличении времени спекания ТЭМ больше 5 мин (для SiGe больше 10 мин) активизируются процессы рекристаллизации зерен и существенно увеличиваются размеры зерен, что приводит к снижению Z.To determine the effect of sintering time on Z, the process was carried out for: 3, 5, 10 and 15 minutes at optimal sintering temperatures. The influence of the TEM sintering time on Z is the same as when the process is carried out at different SPS temperatures. At 3 minutes of TEM sintering (for SiGe at 3 and 5 minutes), complete consolidation of the powder is not achieved. In the study of the phase composition of TEM, regions are observed in which no sintering of the powder occurred. With the duration of the sintering process from 5 to 15 min, homogeneous single-phase TEM samples are obtained. However, with an increase in the TEM sintering time of more than 5 min (for SiGe, more than 10 min), grain recrystallization processes are activated and grain sizes increase significantly, which leads to a decrease in Z.

Таким образом, с учетом данных по Z, определены оптимальные значения температуры и времени спекания (табл. 2)Thus, taking into account the data on Z, the optimal values of temperature and sintering time are determined (Table 2)

Figure 00000008
Figure 00000008

Величина давления определяет плотность полученного объемного наноструктурированного ТЭМ. В результате исследований установлено, что максимальная плотность (98%) от теоретически возможной достигается при следующих значениях давления (табл.3)The pressure value determines the density of the resulting bulk nanostructured TEM. As a result of the research, it was found that the maximum density (98%) of the theoretically possible one is achieved at the following pressure values (Table 3)

Figure 00000009
Figure 00000009

Таким образом, определены оптимальные значения давления, равные 50 МПа для ТЭМ на основе: Bi2Te3 или Sb2Te3 или GeTe или SiGe и 80 МПа для ТЭМ на основе PbTe. Необходимо также отметить, что плотность существенным образом оказывает влияние на электропроводность материалов, которая повышается при увеличении плотности.Thus, the optimal pressure values were determined equal to 50 MPa for TEMs based on: Bi 2 Te 3 or Sb 2 Te 3 or GeTe or SiGe and 80 MPa for TEMs based on PbTe. It should also be noted that the density significantly affects the electrical conductivity of materials, which increases with increasing density.

В результате экспериментальных исследований установлено, что легирование указанных ТЭМ примесями с целью получения максимальных значений Z, не влияло на режимы получения порошка и режимы получения наноструктурированных объемных ТЭМ методом искрового плазменного спекания.As a result of experimental studies, it was found that the doping of these TEMs with impurities in order to obtain maximum Z values did not affect the modes of powder production and the modes of obtaining nanostructured bulk TEMs by spark plasma sintering.

Пример осуществления способа получения наноструктурированных ТЭМ для следующих составов: Bi2Te2,85Se0,15 (легирован 0,4 вес. % Bi11Se12Cl9), n-типа; Bi0,5Sb1,5Te2,92Se0,08 (легирован 3 вес. % Теизб., 0,3 вес. % Pb и 1,7 вес. %) Se), р-типа; PbTe (легирован 0,2 вес. % PbI2 и 0,3 вес. % Ni), n-типа; Ge0,96Bi0,04Te, р- типа; Si0,8Ge0,2 (легирован 2,2 вес. % Р), n-типа; Si0,8Ge0,2 (легирован 0,78 вес. % В), р-типа.An example of the implementation of the method for obtaining nanostructured TEM for the following compositions: Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 (doped with 0.4 wt.% Bi 11 Se 12 Cl 9 ), n-type; Bi 0.5 Sb 1.5 Te 2.92 Se 0.08 (doped with 3 wt. % Te, 0.3 wt. % Pb and 1.7 wt. %) Se), p-type; PbTe (doped with 0.2 wt.% PbI 2 and 0.3 wt.% Ni), n-type; Ge 0.96 Bi 0.04 Te, p-type; Si 0.8 Ge 0 , 2 (doped with 2.2 wt.% P), n-type; Si 0.8 Ge 0.2 (doped with 0.78 wt.% B), p-type.

Указанные материалы синтезировали в вакуумной литьевой машине Indutherm VTC 200 V прямым сплавлением компонентов, взятых в стехиометрическом соотношении с добавлением необходимых легирующих примесей. Полученные ТЭМ измельчали с помощью дробилки ЩД - 6 и мельницы ножевого типа IKA АН в инертной среде в перчаточном боксе "Plas-Labs" до размера частиц порядка 250 мкм. Затем ТЭМ помещали в стаканы для шаровой мельницы, в количестве 100 грамм. После загрузки ТЭМ, в стаканы загружали измельчающие шары диаметром 5 мм в пропорции 1:10 по массе (на 1 грамм ТЭМ приходилось 10 грамм шаров). Операции проводились в боксе в инертной среде. Одновременно в шаровую мельницу может устанавливаться до 4 стаканов. Массы загруженных стаканов должны отличаться друг от друга не более чем на 1 грамм. После загрузки порошка производилась герметизация и перемещение стаканов из рабочего объема бокса в его шлюз. В процессе подготовки стаканов с ТЭМ для шаровой мельницы производилось их качание на протяжении не менее 1 минуты для равномерного распределения шаров и ТЭМ по объему стаканов. После этого они устанавливались в рабочем объеме шаровой мельницы "Retsch РМ400 МА» на планетарном диске, где тщательно фиксировались. Измельчение порошка в шаровой мельнице проводилось при скорости вращения планетарного диска мельницы 400 об/мин в течение 60 мин. После измельчения проводилась выемка стаканов из мельницы и естественное их охлаждение до комнатной температуры. Охлажденные стаканы помещали в перчаточный бокс, где производилась разгерметизация стаканов и отбор полученного порошка ТЭМ для проведения ИПС.These materials were synthesized in an Indutherm VTC 200 V vacuum injection molding machine by direct alloying of the components taken in a stoichiometric ratio with the addition of the necessary dopants. The resulting TEMs were crushed using a ShchD-6 crusher and an IKA AN knife-type mill in an inert medium in a Plas-Labs glove box to a particle size of about 250 μm. Then TEM was placed in ball mill beakers, in the amount of 100 grams. After loading the TEM, crushing balls with a diameter of 5 mm were loaded into the glasses in a ratio of 1:10 by weight (10 grams of balls accounted for 1 gram of TEM). The operations were carried out in a box in an inert environment. Up to 4 jars can be installed in the ball mill at the same time. The masses of loaded glasses should differ from each other by no more than 1 gram. After loading the powder, the cups were sealed and moved from the working volume of the box to its sluice. In the process of preparing glasses with TEM for a ball mill, they were rocked for at least 1 minute to evenly distribute the balls and TEM over the volume of the glasses. After that, they were installed in the working volume of the ball mill "Retsch PM400 MA" on the planetary disk, where they were carefully fixed. and their natural cooling to room temperature.The cooled beakers were placed in a glove box, where the beakers were depressurized and the resulting TEM powder was taken for SPS.

Размер частиц порошков ТЭМ определяли по уширению пиков на рентгеновской дифрактограмме (фиг. 6 и 7). Размеры частиц определялись с точностью до 0,5 нм. Расчет размеров частиц порошка, определение доли частиц каждого размера в объеме порошка и определение среднего размера порошка проводился с помощью программы Outset. Состав порошков определялся по данным о параметрах кристаллической решетки. Результаты исследований, с учетом легирования, представлены в таблице 4.The particle size of the TEM powders was determined from the broadening of the peaks in the X-ray diffraction pattern (FIGS. 6 and 7). The particle sizes were determined with an accuracy of 0.5 nm. The calculation of powder particle sizes, the determination of the proportion of particles of each size in the powder volume, and the determination of the average powder size were carried out using the Outset program. The composition of the powders was determined from data on the parameters of the crystal lattice. The research results, taking into account doping, are presented in Table 4.

Figure 00000010
Figure 00000010

Как пример, для определения состава и дисперсности порошков при оптимальных режимах их получения, представлены рентгеновские дифрактограммы для ТЭМ: SiGe (2,2 вес. % Р) и Si0,8Ge0,2 (0,78 вес. % В) (фиг. 6 и 7).As an example, to determine the composition and dispersion of powders under optimal conditions for their preparation, X-ray diffraction patterns for TEM are presented: SiGe (2.2 wt.% P) and Si 0.8 Ge 0.2 (0.78 wt.% B) ( Fig. 6 and 7).

Перед загрузкой ТЭМ в установку плазменного спекания, из порошка Bi2Te2,85Se0,15 (0,4 вес. % Bi11Se12Cl9) и Bi0,5Sb1,5Te2,92Se0,08 (3 вес. % Теизб., 0,3 вес. %) Pb и 1,7 вес. % Se) методом холодного прессования получали брикеты на прессе ПГЛ - 20.Before loading the TEM into the plasma sintering unit, from Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 powder (0.4 wt.% Bi 11 Se 12 Cl 9 ) and Bi 0.5 Sb 1.5 Te 2.92 Se 0, 08 (3 wt. % Te , 0.3 wt. %) Pb and 1.7 wt. % Se) briquettes were obtained by cold pressing on a PGL-20 press.

Порошки ТЭМ: PbTe (0,2 вес. % PbI2 и 0,3 вес. % Ni) или Ge0,96Bi0,04Te, или Si0,8Ge0,2 (2,2 вес. % Р) или Si0,8Ge0,2 (0,78 вес. % В), или брикеты Bi2Te2,85Se0,15 (0,4 вес. % Bi11Se12Cl9), или Bi0,5Sb1,5Te2,92Se0,08 (3 вес. % Теизб., 0,3 вес. %) Pb и 1,7 вес. %) Se) помещали в цилиндрическую графитовую прессформу и закрывали пуансонами из графита с двух сторон. Операция проводилась в герметичном боксе. Собранную таким образом пресс-форму вынимали через шлюз из бокса и размещали в установке SPS 511S.TEM powders: PbTe (0.2 wt.% PbI 2 and 0.3 wt.% Ni) or Ge 0.96 Bi 0.04 Te, or Si 0.8 Ge 0.2 (2.2 wt.% P ) or Si 0.8 Ge 0.2 (0.78 wt.% B), or briquettes Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 (0.4 wt.% Bi 11 Se 12 Cl 9 ), or Bi 0 .5 Sb 1.5 Te 2.92 Se 0.08 (3 wt. % Te , 0.3 wt. %) Pb and 1.7 wt. %) Se) was placed in a cylindrical graphite mold and covered with graphite punches from both sides. The operation was carried out in a sealed box. The mold assembled in this way was taken out of the box through the lock and placed in the SPS 511S machine.

Прессование ТЭМ в процессе искрового плазменного спекания производилось с помощью гидравлического пресса при значениях давления равных: 50 МПа для Bi2Te2,85Se0,15 (0,4 вес. % Bi11Se12Cl9), Bi0,5Sb1,5Te2,92Se0,08 (3 вес. % Теизб., 0,3 вес. % Pb и 1,7 вес. % Se), Ge0,96Bi0,04Te, Si0,8Ge0,2 (2,2 вес. % Р) Si0,8Ge0,2 (0,78 вес. % В) и 80 МПа для PbTe (0,2 вес. % PbI2 и 0,3 вес. % Ni).TEM pressing during spark plasma sintering was carried out using a hydraulic press at pressures equal to: 50 MPa for Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 (0.4 wt.% Bi 11 Se 12 Cl 9 ), Bi 0.5 Sb 1.5 Te 2.92 Se 0.08 (3 wt. % Te , 0.3 wt. % Pb and 1.7 wt. % Se), Ge 0.96 Bi 0.04 Te, Si 0, 8 Ge 0.2 (2.2 wt.% P) Si 0.8 Ge 0.2 (0.78 wt.% B) and 80 MPa for PbTe (0.2 wt.% PbI 2 and 0.3 wt. .% Ni).

Температура спекания составляла для: Bi2Te2,85Se0,15 (0,4 вес. % Bi11Se12Cl9), Bi0,5Sb1,5Te2,92Se0,08 (3 вес. % Теизб, 0,3 вес. % Pb и 1,7 вес. % Se), PbTe (0,2 вес. % PbI2 и 0,3 вес. % Ni) - 450°С, для Ge0,96Bi0,04Te - 500°С, для Si0,8Ge0,2 (2,2 вес. % Р) Si0,8Ge0,2 (0,78 вес. % В) - 1100°С.The sintering temperature was for: Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 (0.4 wt.% Bi 11 Se 12 Cl 9 ), Bi 0.5 Sb 1.5 Te 2.92 Se 0.08 (3 wt. % Te , 0.3 wt.% Pb and 1.7 wt.% Se), PbTe (0.2 wt.% PbI 2 and 0.3 wt.% Ni) - 450 ° C, for Ge 0.96 Bi 0.04 Te - 500 ° C, for Si 0.8 Ge 0.2 (2.2 wt.% P) Si 0.8 Ge 0.2 (0.78 wt.% B) - 1100 ° C.

Время искрового плазменного спекания для: Bi2Te2,85Se0,15 (0,4 вес. % Bi11Se12Cl9), Bi0,5Sb1,5Te2,92Se0,08 (3 вес. % Теизб., 0,3 вес. % Pb и 1,7 вес. % Se), PbTe (0,2 вес. % PbI2 и 0,3 вес. % Ni) и Ge0,96Bi0,04Te составляло 5 мин, для Si0,8Ge0,2 (2,2 вес. % Р) и Si0,8Ge0,2 (0,78 вес. % В) - 10 мин.Spark plasma sintering time for: Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 (0.4 wt.% Bi 11 Se 12 Cl 9 ), Bi 0.5 Sb 1.5 Te 2.92 Se 0.08 (3 wt. .% Te , 0.3 wt.% Pb and 1.7 wt.% Se), PbTe (0.2 wt.% PbI 2 and 0.3 wt.% Ni) and Ge 0.96 Bi 0, 04 Te was 5 min, for Si 0.8 Ge 0.2 (2.2 wt.% P) and Si 0.8 Ge 0.2 (0.78 wt.% B) - 10 min.

В результате реализации указанного способа получения наноструктурированных ТЭМ снижается фононная составляющая их теплопроводности и, соответственно, теплопроводность в целом, что приводит к увеличению Z и эффективности ТЭМ, в рабочем интервале температур, определяемой параметром ZT. Температурная зависимость ZT наноструктурированных ТЭМ представлена на фиг. 8.As a result of the implementation of this method for obtaining nanostructured TEMs, the phonon component of their thermal conductivity and, accordingly, the thermal conductivity as a whole decreases, which leads to an increase in Z and the TEM efficiency in the operating temperature range determined by the ZT parameter. The temperature dependence of ZT of nanostructured TEMs is shown in Fig. 8.

Так как параметр ZT рассчитывается при термодинамической температуре, то она представлена не в °С, а в К.Since the parameter ZT is calculated at thermodynamic temperature, it is presented not in °C, but in K.

Увеличение Z и ZT наноструктурированных ТЭМ по отношению к ТЭМ, получаемым классическими методами и не обладающим наноструктурой, составляет от 10 до 20%. Максимальные значения ZT и температура, при которой определены эти значения, представлены в таблице 5.The increase in Z and ZT of nanostructured TEMs in relation to TEMs obtained by classical methods and not possessing a nanostructure is from 10 to 20%. The maximum ZT values and the temperature at which these values are determined are presented in Table 5.

Figure 00000011
Figure 00000011

Согласно закону Холла-Петча /11/ за счет наноструктурирования увеличивается механическая прочность материалов. В результате проведенных измерений микротвердости ТЭМ по Виккерсу (Hv) получили высокие результаты для наноструктурированных ТЭМ, представленные в таблице 6.According to the Hall-Petch law /11/, the mechanical strength of materials increases due to nanostructuring. As a result of the measurements of the TEM microhardness according to Vickers (Hv), we obtained high results for nanostructured TEMs, presented in Table 6.

Figure 00000012
Figure 00000012

Figure 00000013
Figure 00000013

Необходимо также отметить, что создание наноструктурированных среднетемпературных ТЭМ: Bi2Te2,85Se0,15 (0,4 вес. % Bi11Se12Cl9) и Bi0,5Sb1,5Te2,92Se0,08 (3 вес. % Теизб., 0,3 вес. % Pb и 1,7 вес. % Se), эффективных в интервале температур 150 - 300°С, также PbTe (0,2 вес. % PbI2 и 0,3 вес. % Ni) и Ge0,96Bi0,04Te, эффективных при температурах 300 - 600°С; и высокотемпературных ТЭМ: Si0,8Ge0,2 (2,2 вес. % Р) и Si0,8Ge0,2 (0,78 вес. % В), эффективных при температурах 600 - 900°С, позволяет существенно расширить область применения термоэлементов, изготавливаемых из этих ТЭМ и, соответственно, термоэлектрических генераторов.It should also be noted that the creation of nanostructured medium-temperature TEMs: Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 (0.4 wt.% Bi 11 Se 12 Cl 9 ) and Bi 0.5 Sb 1.5 Te 2.92 Se 0, 08 (3 wt. % Te el ., 0.3 wt. % Pb and 1.7 wt. % Se), effective in the temperature range 150 - 300 ° C, also PbTe (0.2 wt. % PbI 2 and 0 .3 wt.% Ni) and Ge 0.96 Bi 0.04 Te, effective at temperatures of 300 - 600 ° C; and high-temperature TEMs: Si 0.8 Ge 0.2 (2.2 wt.% P) and Si 0.8 Ge 0.2 (0.78 wt.% B), effective at temperatures of 600 - 900 ° C, allows significantly expand the field of application of thermoelements made from these TEMs and, accordingly, thermoelectric generators.

Источники информацииInformation sources

1. Zheng Y., Zhang Q., Su X., Xie H., Shu S., Chen Т., Tan G., Yan Y., Tang X., Uher C, Snyder G.J. Mechanically robust BiSbTe alloys with superior thermoelectric performance: a case study of stable hierarchical nanostructured thermoelectric materials // Advanced Energy Mater. - 2015. - Vol. 5. - P. 1401391-1-1401391-11.1. Zheng Y., Zhang Q., Su X., Xie H., Shu S., Chen T., Tan G., Yan Y., Tang X., Uher C, Snyder G.J. Mechanically robust BiSbTe alloys with superior thermoelectric performance: a case study of stable hierarchical nanostructured thermoelectric materials // Advanced Energy Mater. - 2015. - Vol. 5. - P. 1401391-1-1401391-11.

2. Tao Q., Deng R., Li J., Yan Y., Su X., Poudeu P.F.P., Tang X. Enhanced thermoelectric performance of Bi0.46Sb1.54Te3 Nanostructured with CdTe // ACS Appl. Mater, and Interfaces. - 2020. - Vol.12. - 26330-26341.2. Tao Q., Deng R., Li J., Yan Y., Su X., Poudeu PFP, Tang X. Enhanced thermoelectric performance of Bi 0.46 Sb 1.54 Te 3 Nanostructured with CdTe, ACS Appl. Mater, and Interfaces. - 2020. - Vol.12. - 26330-26341.

3. Шерченков А.А., Штерн Ю.И., Миронов P.E., Штерн М.Ю., Рогачев М.С. Современное состояние термоэлектрического материаловедения и поиск новых эффективных материалов // Российские нанотехнологии. - 2015. - Т. 10, №11-12. - С. 22-32.3. Sherchenkov A.A., Stern Yu.I., Mironov P.E., Stern M.Yu., Rogachev M.S. The current state of thermoelectric materials science and the search for new effective materials // Russian Nanotechnologies. - 2015. - T. 10, No. 11-12. - S. 22-32.

4. Aswal D.K., Basu R., Singh A. Key issues in development of thermoelectric power generators: High figure-of-merit materials and their highly conducting interfaces with metallic interconnects //Energy conversion and management. - 2016. - Vol. 114. - P. 50-67.4. Aswal D.K., Basu R., Singh A. Key issues in development of thermoelectric power generators: High figure-of-merit materials and their highly conducting interfaces with metallic interconnects // Energy conversion and management. - 2016. - Vol. 114. - P. 50-67.

5. Штерн М.Ю. Многосекционные термоэлементы, преимущества и проблемы их создания // Физика и техника полупроводников. - 2021. - Т. 12. - С. 1105-1114.5. Stern M.Yu. Multisection thermoelements, advantages and problems of their creation // Physics and technology of semiconductors. - 2021. - T. 12. - S. 1105-1114.

6. Патент US №7309830.6. US patent No. 7309830.

7. Патент РФ №2528280.7. RF patent No. 2528280.

8. Патент РФ №2528338.8. RF patent No. 2528338.

9. Патент РФ №2579389 - прототип.9. RF patent No. 2579389 - prototype.

10. Shtern M.Yu. Development and application of a research technique to study thermal and electrophysical parameters of thermoelectric materials at temperatures up to 1200 К // Proceedings of the 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering / IEEE, 2019. - P. 1920-1926.10. Shtern M. Yu. Development and application of a research technique to study thermal and electrophysical parameters of thermoelectric materials at temperatures up to 1200 K // Proceedings of the 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering / IEEE, 2019. - P. 1920-1926 .

11. Hayashi Т., Sekine M., Suzuki J., Horio Y., Takizawa H. Thermoelectric and Mechanical Properties of Angular Extruded Bi0.4Sb1.6Te3 Compounds // Materials Transactions. - 2007. - Vol.48, No. 10. - P. 2724-2728.11. Hayashi T., Sekine M., Suzuki J., Horio Y., Takizawa H. Thermoelectric and Mechanical Properties of Angular Extruded Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 Compounds // Materials Transactions. - 2007. - Vol.48, No. 10. - P. 2724-2728.

Claims (1)

Способ получения наноструктурированных термоэлектрических материалов (ТЭМ), включающий синтез ТЭМ, измельчение синтезированного ТЭМ в инертной среде с получением порошка и компактирование упомянутого порошка с формированием наноструктурированного ТЭМ, отличающийся тем, что синтезируют ТЭМ на основе Bi2Te3 или Sb2Te3 или PbTe или GeTe или SiGe путем прямого сплавления основных компонентов, взятых в стехиометрическом соотношении, с добавлением легирующих компонентов, синтезированный ТЭМ измельчают с помощью высокоэнергетической планетарной шаровой мельницы при диаметре размольных шаров 5 мм и соотношении массы шаров и ТЭМ 10:1 до получения нанодисперсного порошка с преобладанием частиц от 10 до 100 нм, а компактирование порошка осуществляют искровым плазменным спеканием.A method for producing nanostructured thermoelectric materials (TEM), including the synthesis of TEM, grinding the synthesized TEM in an inert medium to obtain a powder and compacting said powder to form a nanostructured TEM, characterized in that TEM is synthesized based on Bi 2 Te 3 or Sb 2 Te 3 or PbTe or GeTe or SiGe by direct fusion of the main components, taken in a stoichiometric ratio, with the addition of alloying components, the synthesized TEM is ground using a high-energy planetary ball mill with a grinding ball diameter of 5 mm and a mass ratio of balls and TEM of 10:1 to obtain a nanodispersed powder with a predominance of particles from 10 to 100 nm, and compaction of the powder is carried out by spark plasma sintering.
RU2022123033A 2022-08-29 Method for obtaining nanostructure thermoelectric materials RU2794354C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2794354C1 true RU2794354C1 (en) 2023-04-17

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100295202A1 (en) * 2009-05-19 2010-11-25 Yanshan University Fabrication of High Performance Densified Nanocrystalline Bulk Thermoelectric Materials Using High Pressure Sintering Technique
RU2470414C1 (en) * 2011-06-28 2012-12-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" METHOD OF PRODUCING p-TYPE THERMOELECTRIC MATERIAL BASED ON SOLID SOLUTIONS OF Bi2Te3-Sb2Te3
RU2533624C1 (en) * 2013-07-04 2014-11-20 Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности ОАО "Гиредмет" METHOD FOR OBTAINING THERMOELECTRIC MATERIAL OF n-TYPE BASED ON Mg2Si1-xSnx TRIPLE SOLID SOLUTIONS
CN102482766B (en) * 2009-06-30 2015-01-14 欧-弗莱克斯科技有限公司 Method for producing thermoelectric layers
CN106555070A (en) * 2015-09-29 2017-04-05 李博琪 SiGe based alloy thermoelectric materials of doping vario-property and preparation method thereof
RU2739887C1 (en) * 2020-05-06 2020-12-29 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" METHOD FOR PRODUCING THERMOELECTRIC MATERIAL OF N-TYPE CONDUCTIVITY BASED ON SOLID SOLUTION GEX-δSI1-XSBδ AT X = 0.26-0.36, δ = 0.008-0.01

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100295202A1 (en) * 2009-05-19 2010-11-25 Yanshan University Fabrication of High Performance Densified Nanocrystalline Bulk Thermoelectric Materials Using High Pressure Sintering Technique
CN102482766B (en) * 2009-06-30 2015-01-14 欧-弗莱克斯科技有限公司 Method for producing thermoelectric layers
RU2470414C1 (en) * 2011-06-28 2012-12-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" METHOD OF PRODUCING p-TYPE THERMOELECTRIC MATERIAL BASED ON SOLID SOLUTIONS OF Bi2Te3-Sb2Te3
RU2533624C1 (en) * 2013-07-04 2014-11-20 Открытое акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности ОАО "Гиредмет" METHOD FOR OBTAINING THERMOELECTRIC MATERIAL OF n-TYPE BASED ON Mg2Si1-xSnx TRIPLE SOLID SOLUTIONS
CN106555070A (en) * 2015-09-29 2017-04-05 李博琪 SiGe based alloy thermoelectric materials of doping vario-property and preparation method thereof
RU2739887C1 (en) * 2020-05-06 2020-12-29 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" METHOD FOR PRODUCING THERMOELECTRIC MATERIAL OF N-TYPE CONDUCTIVITY BASED ON SOLID SOLUTION GEX-δSI1-XSBδ AT X = 0.26-0.36, δ = 0.008-0.01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Olvera et al. Partial indium solubility induces chemical stability and colossal thermoelectric figure of merit in Cu 2 Se
Zhu et al. Simultaneous enhancement of thermoelectric performance and mechanical properties in Bi2Te3 via Ru compositing
Meroz et al. Development of Bi2Te2. 4Se0. 6 alloy for thermoelectric power generation applications
JP5329423B2 (en) A method for high explicit numbers in thermoelectric materials with nanostructures
US8865995B2 (en) Methods for high figure-of-merit in nanostructured thermoelectric materials
Dharmaiah et al. Influence of powder size on thermoelectric properties of p-type 25% Bi2Te375% Sb2Te3 alloys fabricated using gas-atomization and spark-plasma sintering
Wang et al. High performance n-type (Bi, Sb) 2 (Te, Se) 3 for low temperature thermoelectric generator
Xie et al. Thermoelectric performance of CuFeS2+ 2x composites prepared by rapid thermal explosion
US20140318593A1 (en) Nanoparticle compact materials for thermoelectric application
Kim et al. Enhanced thermoelectric properties of Bi0. 5Sb1. 5Te3 composites with in-situ formed senarmontite Sb2O3 nanophase
Bohra et al. Tellurium-free thermoelectrics: Improved thermoelectric performance of n-type Bi2Se3 having multiscale hierarchical architecture
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
Ganguly et al. Synthesis and evaluation of lead telluride/bismuth antimony telluride nanocomposites for thermoelectric applications
Qin et al. Critical role of tellurium self-compensation in enhancing the thermoelectric performance of p-Type Bi0. 4Sb1. 6Te3 alloy
Nagarjuna et al. Grain refinement to improve thermoelectric and mechanical performance in n-type Bi2Te2. 7Se0. 3 alloys
Ivanova et al. Crystallization and mechanical properties of solid solutions between bismuth and antimony chalcogenides
Akram et al. Microstructure and thermoelectric properties of Sb doped Hf0. 25Zr0. 75NiSn Half-Heusler compounds with improved carrier mobility
Karati et al. Simultaneous increase in thermopower and electrical conductivity through Ta-doping and nanostructuring in half-Heusler TiNiSn alloys
Duan et al. Microstructure and thermoelectric properties of Bi 0.5 Na 0.02 Sb 1.48− x In x Te 3 alloys fabricated by vacuum melting and hot pressing
Saminathan et al. Improved thermoelectric properties of Fe doped Si-rich higher manganese silicide
Vishwakarma et al. Facile synthesis of nanostructured n-type SiGe alloys with enhanced thermoelectric performance using rapid solidification employing melt spinning followed by spark plasma sintering
Truong Thermoelectric properties of higher manganese silicides
RU2794354C1 (en) Method for obtaining nanostructure thermoelectric materials
KR101405318B1 (en) Bismuth telluride-indium selenide nanocomposite thermoelectric materials and method of manufacturing the same
Wang et al. Enhanced thermoelectric performance of Sb-doped Mg2Si0. 4Sn0. 6 via doping, alloying and nanoprecipitation