Моделирование конструкций и разработка технологии многосекционных термоэлементов для эффективных термоэлектрических генераторов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Рогачев Максим Сергеевич

• Рогачев Максим Сергеевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Рогачев Максим Сергеевич

Введение

Глава 1. Актуальность и проблемы создания эффективных термоэлектрических генераторов

1.1 Современное состояние термоэлектрического материаловедения

1.1.1 Современные термоэлектрические материалы практического применения

1.1.2 Направления поиска новых классов термоэлектрических материалов

1.2 Проблемы конструирования и технологии термоэлектрических генераторов

1.2.1 Создание многосекционных термоэлементов, как один из способов повышения КПД генераторов

1.2.2 Формирование контактных систем генераторных термоэлементов

1.2.3 Сублимация термоэлектрических материалов в генераторных термоэлементах

1.2.4 Методы расчета ТЭГ

1.3 Метрологическое обеспечение исследований ТЭГ

1.3.1 Методики и результаты исследований тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов

1.3.2 Анализ исследований теплового расширения термоэлектрических материалов

1.3.3 Методы исследования адгезионной прочности тонких пленок

1.4 Выводы по главе

Глава 2. Разработка методики и исследование тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов

2.1 Разработка методики и измерительного комплекса для исследования тепло- и электрофизических параметров материалов

2.2 Составы и результаты исследования низкотемпературных термоэлектрических материалов

2.3 Составы и результаты исследования среднетемпературных термоэлектрических материалов

2.4 Составы и результаты исследования высокотемпературных термоэлектрических материалов

2.5 Выводы по главе

Глава 3. Моделирование и разработка конструкции многосекционных термоэлементов

3.1 Разработка методики и математической модели расчета многосекционных термоэлементов

3.2 Разработка программного обеспечения для расчета термоэлементов

3.3 Конструкционные решения многосекционного термоэлемента

3.4 Выводы по главе

Глава 4. Получение и исследование контактных систем и защитных покрытий для многосекционных термоэлементов

4.1 Обоснование структуры контактных систем многосекционного термоэлемента

4.2 Получение и исследование контактных систем к низкотемпературным секциям термоэлемента

4.3 Получение и исследование контактных систем к среднетемпературным секциям термоэлемента

4.4 Получение и исследование контактных систем к высокотемпературным секциям термоэлемента

4.5 Методика исследования контактного сопротивления

4.6 Термоэлемент с наноструктурированной контактной системой

4.7 Способы коммутации многосекционного термоэлемента

4.8 Разработка технологии и исследование защитного покрытия для генераторных термоэлементов

4.9 Выводы по главе

5 Исследование теплового расширения термоэлектрических материалов и структур на их основе

5.1 Методики и измерительные комплексы, использованные для исследования ТКЛР

5.2 Результаты исследования теплового расширения материалов низкотемпературных секций термоэлемента

5.3 Результаты исследования теплового расширения материалов среднетемпературных секций термоэлемента

5.4 Результаты исследования теплового расширения материалов высокотемпературных секций термоэлемента

5.5 Моделирование теплового расширения ветвей многосекционного термоэлемента

5.6 Выводы по главе

6 Разработка программного обеспечения для расчета и моделирования термоэлектрических устройств на базе многосекционного термоэлемента

6.1 Методика расчета термоэлектрических устройств

6.2 Разработка программного обеспечения для расчета термоэлектрических структур

6.3 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и обозначений

Список литературы

Приложение А. Акты об использовании результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование конструкций и разработка технологии многосекционных термоэлементов для эффективных термоэлектрических генераторов»

Актуальность работы

Термоэлектричество в последние годы является одним из наиболее активно развивающихся направлений в науке и технике. Рост производства термоэлектрических устройств из разных источников составляет от 15 до 20 % в год. Объем производства термоэлектрических генераторов (ТЭГ) по прогнозам аналитической компании ГОТеЛЕх к 2025 г достигнет 1 млрд. долларов в год.

Повышенный интерес к ТЭГ обусловлен рядом причин. Одно из основных современных научных направлений - создание альтернативных источников энергии. К этой категории источников энергии относятся ТЭГ - устройства непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую. Для их работы могут использоваться самые разнообразные источники тепла. ТЭГ находят применение там, где требуются надежные источники электроэнергии с большой удельной мощностью, длительным сроком эксплуатации и не требующие обслуживания.

Вопрос преобразования потерянного, так называемого, бросового тепла в электрическую энергию является одним из ключевых для ведущих экономик мира. Более 60% вырабатываемой энергии теряется в виде бросового тепла. Утилизация даже части этого бесполезно теряемого тепла, за счет ТЭГ, приведет не только к существенной экономии энергоресурсов, но и к снижению вредных выбросов в атмосферу. Освоение Арктики, Антарктики, труднодоступных районов крайнего Севера России не возможно без использования атомных станций малой мощности, оснащенных ТЭГ. Такие источники электрической энергии имеют длительный срок работы без обслуживания, значительно превосходящий ресурс топливных элементов или аккумуляторов. Ресурс радиоизотопных ТЭГ составляет десятки лет работы, что проверено при их использовании, например, в космических аппаратах. В нефтегазовом комплексе ТЭГ активно используются для катодной защиты продуктопроводов. Перспективно их применение для утилизации попутного нефтяного газа. Целесообразно использование ТЭГ для энергоснабжения современных кораблей военного и гражданского морского флота, оснащенных ядерными энергетическими установками нового поколения. Для активно разрабатываемых высокотехнологичных интеллектуальных систем и датчиков, устройств аэрокосмической, военной,

вычислительной и СВЧ техники необходимо создание компактных объемных и пленочных термоэлектрических микрогенераторов.

Сдерживающим фактором широкого применения ТЭГ является их низкая эффективность, определяемая, в первую очередь, невысокой термоэлектрической добротностью (2 полупроводниковых материалов, используемых для реализации эффекта Зеебека. Однако, достижения нанотехнологии в последнее время открыли новые возможности в поиске перспективных термоэлектрических материалов (ТЭМ). Целый ряд научных групп занимается разработкой наноструктурированных ТЭМ, которые можно получить в виде объемных, и которые имеют высокий потенциал практического применения.

Кроме того, коэффициент полезного действия ТЭГ может быть увеличен за счет расширения интервала рабочих температур и, соответственно, увеличения разности температур горячих и холодных спаев ТЭГ. Реализовать этот замысел возможно, если использовать многосекционные ветви в термоэлементе (ТЭ), что является предметом диссертационных исследований. Каждая секция работает в определенном интервале температур и изготавливается из ТЭМ, имеющего максимальную 2 при этих температурах. Однако создание многосекционных ветвей термоэлемента является сложной научно-технологической задачей.

В многосекционном термоэлементе (МТЭ) необходимо реализовать надежную коммутацию различных ТЭМ, обеспечивающую минимальные тепловые и электрические потери. Для этого необходимо создание контактных многослойных систем. Эти слои выполняют следующие функции: осуществляют омический контакт с ТЭМ; являются диффузионным барьером, предотвращающим взаимную диффузию соединяемых материалов и, наконец, обеспечивают необходимую адгезию контактных систем к ТЭМ. Необходимо отметить о важности последней функции, так как эта адгезия является лимитирующим фактором в механической прочности ТЭ. Кроме того контактная система должна обеспечивать технологичность коммутации секций ТЭ. Проблемы разработки структуры и технологии контактных систем для генераторных ТЭ в настоящее время слабо изучены и требуют своего решения.

Жесткие условия эксплуатации ТЭГ предъявляют повышенные требования к механической прочности этих устройств. Это требует согласования секций ветвей по толщинам и термическим коэффициентам линейного расширения (ТКЛР), поскольку

работа в условиях высоких температур и температурных градиентов может привести к возникновению существенных механических напряжений и разрушению ветвей. Однако тепловое расширение ТЭМ изучено весьма ограниченно. Кроме того, для определения термических нагрузок МТЭ необходимо проведение моделирования его теплового расширения в интервале рабочих температур.

Еще одна проблема конструирования высокотемпературных ТЭГ, которая не нашла в настоящее время достойного отражения в литературе, это сублимация ТЭМ при высоких температурах. В связи с этим необходима разработка методов формирования и определение составов антисублимационных покрытий для ТЭ, работающих в широком интервале температур.

Важной задачей при создании эффективных ТЭГ является повышение функциональных и эксплуатационных характеристик, что в значительной степени определяется их конструкцией. Для создания эффективных ТЭГ необходимы разработка методик, математических моделей и программного обеспечения, позволяющих реализовывать весь комплекс задач моделирования ТЭГ, начиная с расчета параметров ТЭМ и заканчивая оптимизацией его конструкции.

Таким образом, анализ состояния научных исследований в области современного развития термоэлектрического приборостроения позволяет сделать вывод о том, что тема диссертационной работы является актуальной. Реализация указанных проблем будет иметь существенное научное и практическое значение.

Цель диссертационной работы: Разработка и исследование конструкций и технологии эффективных многосекционных термоэлементов с рабочим интервалом температур от комнатной до 1200 К.

Достижение поставленной цели имеет существенное значение для развития термоэлектрического приборостроения, так как обеспечит создание эффективных термоэлектрических генераторов с повышенным значением КПД.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1) Определение состава и технологии эффективных термоэлектрических материалов для изготовления многосекционных термоэлементов с интервалом рабочих температур от комнатной до 1200 К.

2) Разработка методики и исследование температурных зависимостей тепло- и электрофизических параметров используемых термоэлектрических материалов.

3) Определение методов и исследование температурной зависимости термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) термоэлектрических материалов.

4) Разработка математической модели для расчета и оптимизации конструкции многосекционного термоэлемента. Моделирование конструкции термоэлемента.

5) Разработка структуры и технологии контактных систем для изготовления многосекционных термоэлементов.

6) Разработка методик и исследование адгезионной прочности контактных систем, используемых в конструкции многосекционного термоэлемента.

7) Разработка методики и расчет теплового расширения термоэлектрических структур в области рабочих температур.

8) Определение состава и разработка технологии защитных покрытий термоэлементов, снижающих сублимацию термоэлектрических материалов в области рабочих температур до 1200 К.

9) Разработка методики и программного обеспечения для реализации комплекса задач моделирования термоэлектрических устройств, начиная с расчета параметров термоэлектрических материалов и заканчивая оптимизацией конструкций термоэлектрических устройств.

Научная новизна диссертационной работы заключается в использовании комплексного, научно-обоснованного подхода в процессе создания многосекционных генераторных термоэлементов, и состоит в следующем:

1) Разработаны методика и оригинальная математическая модель для расчета и оптимизации конструкций МТЭ, основанная на использовании тепло- и электрофизических параметров ТЭМ и заданных рабочих температур. Размер каждой секции термоэлементов определяется с учетом температурного профиля, при котором ТЭМ этой секции имеет максимальную термоэлектрическую добротность. Методика ориентирована на получение максимального КПД термоэлементов. Разработан алгоритм и программное обеспечение, зарегистрированное в Роспатенте, для реализации математической модели расчета МТЭ.

2) Разработаны структуры контактных систем для МТЭ. Обоснован выбор материалов функциональных слоев контактных систем для низкотемпературных, среднетемпературных и высокотемпературных материалов МТЭ. В результате

комплексных исследований определены методы и режимы формирования функциональных слоев контактных систем, обеспечивающие: их низкое удельное

9 2

сопротивление, не превышающее 10 Ом м ; высокие адгезионную прочность (до 20,0 МПа) и температурно-временную стабильность в области рабочих температур.

3) Обоснованы и разработаны структура и способ формирования контактных систем для МТЭ с использованием композиционного материала на основе углеродных нанотрубок. Предложенный способ позволяет обеспечить формирование контактных систем, содержащих контактный слой, диффузионно-барьерный слой и слой композиционного материала, увеличивающего механическую прочность и повышающего термическую стойкость термоэлементов в широком интервале температур. Получен патент на способ изготовления термоэлемента с использованием разработанных контактных систем.

4) Для предотвращения сублимации термоэлектрических материалов термоэлемента при повышенных температурах предложено использовать тонкопленочные покрытия Si3N4 и SiО2 и разработана технология их плазмо -химического осаждения на ветви термоэлементов. Результаты исследования термоэлементов при температурах до 1200 К показали высокие эксплуатационные характеристики разработанных защитных покрытий.

5) Разработаны оригинальные методика, алгоритм и программное обеспечение, зарегистрированное в Роспатенте, позволяющие реализовывать весь комплекс задач моделирования термоэлектрических устройств, начиная с расчета параметров ТЭМ и заканчивая оптимизацией конструкций термоэлектрических устройств.

Теоретическая и практическая значимость

1) Разработаны составы и получены эффективные низко-, средне- и высокотемпературные ТЭМ п- и ^-типов проводимости, используемые в конструкции МТЭ.

2) Разработаны методика и измерительный аппаратно-программный комплекс для исследования тепло- и электрофизических параметров ТЭМ в области температур от комнатной до 1200 К. Проведены исследования и получены результаты температурных зависимостей тепло- и электрофизических параметров всех разработанных ТЭМ. Определены механизмы тепло- и электропереноса в ТЭМ.

3) Разработана математическая модель и методика расчета МТЭ. В результате компьютерного моделирования разработана конструкция эффективного МТЭ для ТЭГ.

4) Разработаны структуры, определены и обоснованы материалы контактных слоев в контактных системах для низко-, средне- и высокотемпературных ТЭМ, используемых для изготовления секций ветвей МТЭ. Разработаны технологии эффективных контактных систем для МТЭ.

5) Разработаны методики и проведены исследования адгезионной прочности разработанных контактных систем для низко-, средне- и высокотемпературных ТЭМ. Полученные результаты показали высокую механическую прочность контактных систем.

6) Определены материалы и разработаны режимы плазмо-химического осаждения защитных слоев для высокотемпературных МТЭ. Показана работоспособность защитных слоев до 1200 К.

7) Проведены исследования и получены результаты температурных зависимостей ТКЛР термоэлектрических материалов, используемых в конструкции МТЭ.

8) Разработана методика и проведен расчет теплового расширения МТЭ в области рабочих температур.

9) Для автоматизации процессов исследований, расчета параметров и моделирования термоэлектрических устройств разработан комплекс программного обеспечения, зарегистрированного в Роспатенте (23 Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ).

10) Результаты диссертационной работы внедрены в производство и использованы в учебном процессе. (Акты внедрения прилагаются).

На защиту выносятся:

1) Составы и методы получения эффективных низко-, средне- и высокотемпературных ТЭМ, использованных для изготовления многосекционных генераторных термоэлементов. Методика и результаты комплексных исследований температурных зависимостей тепло- и электрофизических параметров, термоэлектрической добротности разработанных ТЭМ.

2) Методика и результаты моделирования конструкции эффективных МТЭ с интервалом рабочих температур от комнатной до 1200 К.

3) Результаты исследований температурных зависимостей ТКЛР ТЭМ, использованных для изготовления МТЭ. Методика и результаты расчета теплового расширения МТЭ, прогнозирующие термические напряжения, возникающие в его структуре в интервале рабочих температур.

4) Структура, способы и режимы получения контактных систем. Методики и результаты исследования механической прочности контактных систем многосекционных термоэлементов, определяемых адгезионной прочностью: контактных; диффузионно-барьерных и коммутационных слоев.

5) Состав, способы и режимы получения, результаты исследования функциональных свойств защитных слоев, обеспечивающих работу МТЭ до 1200 К.

Личный вклад Рогачева М.С. заключается в:

- личном участии на всех стадиях проведения диссертационных исследований;

- моделировании и расчете конструкций МТЭ, значительной части экспериментов, систематизации и анализе полученных результатов;

- обосновании научных рекомендаций при разработке конструкционно-технологических и программных решений для МТЭ.

Степень достоверности результатов

Достоверность полученных в диссертации результатов основана на большом объеме экспериментальных работ с использованием современных методик, в том числе, созданных автором диссертационной работы, оснащённых высококлассными приборами и оборудованием. Результаты работы прошли апробацию в виде публикаций в журналах, рекомендованных ВАК, а также докладывались на отечественных и международных конференциях, демонстрировались на научно-технических выставках, где получили высокую оценку. Теоретические результаты обоснованы и согласуются с известными экспериментальными данными других авторов, опубликованными в печати. Разработанное программное обеспечение зарегистрировано в Роспатенте.

Апробация работы

Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на 11 Международных и 2 Всероссийских НТ конференциях: 5th international advances in applied physics and materials science congress & exhibition, Fethiye, Turkey, 2015; 3rd International Congress on Energy Efficiency and Energy Related Materials,

Oludeniz, Turkey, 2015; XIII международная конференция «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов», г. Курск, 2016 г.; 3rd International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, г. СПб, 2016 г.; 2016 International Siberian Conference on Control and Communications, г. Москва, 2016 г.; XV International Conference on Thermal Analysis and Calorimetry, СПб, 2016 г.; 2017 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, г. Москва, 2017 г.; 13 международная конференция «Пленки и покрытия - 2017», СПб, 2017 г.; 2018 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, г. Москва, 2018 г.; International Conference on Nanomaterials Science and Mechanical Engineering, University of Aveiro, 2018 г.; 11th International conference on Advanced Nanomaterials, University of Aveiro, 2018 г.; 22-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика - 2015", г. Москва, г. Зеленоград, 2015 г.;25-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2018», г. Москва, г. Зеленоград.

ГЛАВА 1. АКТУАЛЬНОСТЬ И ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ГЕНЕРАТОРОВ

Повышенный интерес к термоэлектрическим генераторам (ТЭГ) обусловлен рядом причин. Одно из основных современных научных направлений - создание альтернативных источников энергии. К этой категории источников энергии относятся ТЭГ - устройства непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую. Для их работы могут использоваться самые разнообразные источники тепла. ТЭГ находят применение там, где требуются надежные источники электроэнергии с большой удельной мощностью, длительным сроком эксплуатации и не требующие обслуживания.

Активная разработка энергоэффективных технологий предопределила необходимость получения электроэнергии за счет использования, так называемого, бросового тепла. Вопрос преобразования потерянного бросового тепла в электрическую энергию является одним из ключевых для всех ведущих экономик мира. Более 60% вырабатываемой энергии теряется в виде бросового (неиспользуемого) тепла, так как эффективность современных генерирующих энергию систем, в лучшем случае, составляет 40 %. Это означает, что более половины вырабатываемой энергии теряется бесполезно. Количество бросового тепла за год в России соответствует сжиганию 75 млн. тонн нефти. Утилизация даже части этого бесполезно теряемого тепла, за счет термоэлектрической генерации электроэнергии, приведет не только к существенной экономии энергоресурсов, но и к снижению вредных выбросов в атмосферу.

ТЭГ являются безальтернативными источниками электрической энергии для освоения дальнего космоса, Арктики и Антарктики.

Сегодня значительная часть территории северо-восточных регионов России не охвачена централизованным электроснабжением. Для большого количества изолированных от энергосистем потребителей необходимо осуществлять электроснабжение от автономных источников малой мощности. Освоение Арктики, Антарктики, труднодоступных районов крайнего Севера России не возможно без использования необслуживаемых атомных станций малой мощности, оснащенных ТЭГ. Такие источники электрической энергии имеют длительный срок работы без обслуживания, значительно превосходящий ресурс топливных элементов или

аккумуляторов. Ресурс радиоизотопных ТЭГ составляет десятки лет работы, что проверено при их использовании, например, в космических аппаратах.

В нефтегазовом комплексе ТЭГ активно используются для катодной защиты продуктопроводов. Перспективно их применение для утилизации попутного нефтяного газа. Целесообразно использование ТЭГ для энергоснабжения современных кораблей военно-морского и гражданского морского флота, оснащенных ядерными энергетическими установками нового поколения.

Для активно разрабатываемых высокотехнологичных интеллектуальных систем и датчиков, устройств аэрокосмической, военной, вычислительной и СВЧ техники необходимо создание компактных объемных и пленочных термоэлектрических микрогенераторов.

Сдерживающим фактором развития термоэлектрического приборостроения является низкая эффективность термоэлектрических устройств, определяемая невысокой термоэлектрической добротностью полупроводниковых материалов, используемых для реализации эффектов Пельтье и Зеебека. Однако, достижения нанотехнологии в последнее время открыли новые возможности в поиске перспективных термоэлектрических материалов. Целый ряд научных групп занимается разработкой нанокомпозитных термоэлектрических материалов, которые можно получить в виде объемных, и которые имеют высокий потенциал практического применения.

1.1 Современное состояние термоэлектрического материаловедения

Как было отмечено выше, эффективность термоэлектрических преобразователей энергии определяется в основном эффективностью полупроводникового материала, используемого для изготовления ветвей термоэлементов. Немецкий физик Альтенкирх ввел понятие термоэлектрической эффективности (добротности) Д которая и определяет качество термоэлектрического материала:

Я = —, (1.1)

к

где s - коэффициент термоЭДС; а - коэффициент электропроводности; к - коэффициент теплопроводности материала. На практике часто используют безразмерную термоэлектрическую добротность 2Т:

82 • <7

ХТ =-Т. (1.2)

к

В настоящее время лучшие термоэлектрические материалы, используемые для создания элементов Пельтье и Зеебека, имеют 2Т ~ 1.

Эффективность работы термоэлектрических генераторов определяется коэффициентом полезного действия п [1]:

п = тг - Тх У(1 + гтср) -1 , (1.3)

тг ,/(! + 2ТСР) + Тх' '

тг

где ТГ и ТХ - температуры горячего и холодного спаев;

Тср = . (1.4)

На рисунках 1.1 — 1.3 представлены результаты расчета КПД термоэлектрических генераторов в зависимости от термоэлектрической добротности и разности температур горячих и холодных спаев ТЭГ. Температура холодного спая во всех случаях составляла 300 К. Представленные графики в наглядной форме позволяют оценить КПД при известных параметрах материалов и конструкции ТГ. Необходимо отметить теоретическую направленность проведенных расчетов, так как в них не учитывались потери на контактных и коммутационных слоях термоэлементов.

Рисунок 1.1 позволяет оценить возможное максимальное значение КПД при известном параметре 2Т и разности температур горячих и холодных спаев.

КПД, равное 15%, можно достичь, используя промышленно выпускаемые в настоящее время материалы при ДТ = 600 К.

Рисунок 1.1 — КПД ТЭГ в зависимости от термоэлектрической добротности материалов при различной разности температур горячих и холодных спаев.

Из данных рисунка 1.2 можно установить тенденцию увеличения КПД ТЭГ при повышении параметра ZГ для различных значений АТ.

Рисунок 1.2 — Зависимость КПД ТЭГ от термоэлектрической добротности материалов

для различных значений АТ.

Из рисунка 1.3 можно оценить КПД термоэлектрического генератора, зная конструктивный параметр - АТ, при различной добротности термоэлектрических материалов, из которых состоят ветви термоэлементов.

Из рисунков видно, что для увеличения КПД ТЭГ необходимо повышать термоэлектрическую добротность материалов и рабочий интервал температур. Анализ выражения для 2 показывает, что хороший термоэлектрический материал должен обладать, на первый взгляд, противоположными свойствами. Наряду с высокими значениями коэффициента термоЭДС и электропроводности, материал должен иметь низкую теплопроводность.

Рисунок 1.3 - Зависимость КПД ТЭГ от АТ при различной термоэлектрической

добротности материалов.

Противоречивость требований заключается в том, что высокую электропроводность обеспечивают свободные носители за счет слабого взаимодействия с кристаллической решеткой, но и теплопроводность при этом возрастает, поскольку доля теплоты, которую носители переносят, очень значительна. Закон Видемана-Франца связывает прямо пропорциональной зависимостью электронную составляющую теплопроводности и электропроводность материала. Это означает, что увеличение проводимости будет сопровождаться и увеличением теплопроводности. Кроме того, в природе практически не встречаются материалы, которые имели бы одновременно большие значения термоЭДС и малые значения коэффициента теплопроводности.

Таким образом, одновременная оптимизация всех параметров, входящих в выражение (1.2) для 2Т, является чрезвычайно сложной задачей, поскольку эти параметры взаимосвязаны. Например, для увеличения проводимости, можно увеличить

концентрацию носителей. Однако при этом уменьшится коэффициент термоЭДС и увеличится вклад электронной составляющей в теплопроводность. В результате, значение Z может не увеличиться. Решил данную проблему А.Ф. Иоффе, который предложил использовать в качестве термоэлектрических материалов твердые растворы полупроводников.

1.1.1 Современные термоэлектрические материалы практического применения

Твердые растворы на основе В^Те3, эффективность которых была показана А.Ф. Иоффе [2, 3], Синани С.С. и Гордяковой Г.Н. [4] в конце 1940 и 1950 - х годах, как правило, используются в термоэлектрических охлаждающих устройствах. Поскольку В^Те3 имеет малую ширину запрещенной зоны (0,16 эВ при 300 К), использование этого соединения ограничивается температурным диапазоном до ~420 К. Для того чтобы увеличить температуру применения В^Те3, необходимо увеличивать ширину запрещенной зоны, например, за счет использования твердых растворов на основе В^Те3. В работах [1, 5, 6] приведены данные по температурным зависимостям ZГ для низкотемпературных термоэлектрических материалов п- и ^-типов проводимости, полученные разными авторами (рисунок 1.4). Следует сказать, что измерение ZГ является сложной научно-технической задачей, ошибка в определении безразмерного параметра добротности может достигать 20 % [7].

Среднетемпературные термоэлектрические материалы используют в интервале 450^950 К. Это основная область температур, в которой работают термоэлектрические генераторы.

Оптимальная ширина запрещенной зоны для этих материалов должна быть порядка 0,6 эВ. Однако на практике используют материалы и с меньшей шириной запрещенной зоны. Большинство материалов среднетемпературного диапазона — халькогениды (например, РЬТе, PbSe, GeTe). Основной материал - теллурид свинца (РЬТе), который начал применяться в 1940 - х годах [8]. На основе теллурида свинца возможно изготовление термоэлектрических материалов в широком интервале температур от комнатной до 900 К.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рогачев Максим Сергеевич, 2018 год

Список литературы

1. Охотин А.С., Ефимов А.А., Охотин В.С., Рушкарский А.С. Термоэлектрические генераторы. // М.: Атомиздат, 1972. - 288 с.

2. Иоффе А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы / А.Ф. Иоффе. - Изд. АН СССР, М., Л., 1956. - 103 с.

3. Иоффе, А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы / А.Ф. Иоффе. - М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1960. - 188 с.

4. Синани С.С., Гордякова Г.Н. Твердые растворы Bi2Te3 -- Bi2Se3 как материал для термоэлементов // Журн.техн. физики. - 1956. - Т. 26, № 10. - С. 2398-2399.

5. Zhu B., Yu Y., Wang X.-y., Zu F.-q., Huang Z.-y. Enhanced thermoelectric properties of n-type Bi2Te2.7Se0.3 semiconductor by manipulating its parent liquid state // Journal of Materials Science. - 2017. - V. 52, №14. - P. 8526-8537.

6. Snyder G.J, Toberer E.S. Complex thermoelectric materials // Nature Materials. -2008. - V. 7. - P. 105-114.

7. Goldsmid H.J. Bismuth Telluride and Its Alloys as Materials for Thermoelectric Generation // Materials. - 2014. - V. 7, № 4. - P. 2577-2592.

8. Иорданишвили Е.К. Термоэлектрические источники питания / Советское радио, 1968. - 184 с.

9. Zhao L.-D., Dravid V.P., Kanatzidis M.G. The panoscopic approach to high performance thermoelectrics // Energy & Environmental Science. - 2014. - V. 7. - P. 251-268.

10. Minnich A., Dresselhaus M.S., Ren Z.F., Chen G. Bulk nanostructured thermoelectric materials: current research and future prospects // Energy Environ. Sci. -2009. - V. 2. - P. 466-479.

11. Baranowski L.L., Snyder G.J., Toberer E.S. Concentrated solar thermoelectric generators // Energy & Environmental Science. - 2012. - V. 5. - P. 9055-9067.

12. LaLonde A.D., Pei Y.Z., Snyder G.J. Reevaluation of PbTe1-xIx as high performance n-type thermoelectric material // Energy & Environmental Science. - 2011. - V. 4, № 6. - P. 2090-2096.

13. He J.Q., Kanatzidis M.G., Dravid V.P. High performance bulk thermoelectrics via a panoscopic approach // Materials Today. - 2013. - V. 16, № 5. P. 166-176.

14. Zhao R., Shen L., Guo F. Enhanced electrical conductivity in Si80Ge20B0.6 alloys with Er addition prepared by spark plasma sintering // J. Mater. Res. - 2011. - V. 26, №. 15. -P. 1879-1885.

15. Jovanovic V., Krommenhoek D., Ghamaty S., Bass J.C. High Coefficient of Performance Quantum Well Thermoelectric Nano Cooler // Proceedings of IPACK2007. -2007. - P.1-7.

16. Tritt T.M., Subramanian M.A. Thermoelectric Materials, Phenomena, and Applications: A Bird's Eye View // MRS Bulletin. - 2006. - V. 31, № 3. - P.188-194.

17. Абрютин В., Нестеров С., Романько В., Холопкин А. Применение нанотехнологий для создания высокоэффективных термоэлектрических материалов // Наноматериалы. - 2010. - Т. 1. - С. 24-26.

18. Hendricks T., Choate W.T. Engineering Scoping Study of Thermoelectric Generator Systems for Industrial Waste Heat Recovery // US Department of Energy, 2006. - 74 p.

19. Morelli D.T., Caillat T., Fleurial J.-P., Borshchevsky A., Vandersande J., Chen B., Uher C. Low-temperature transport properties of p-type CoSb3 // Phys.Rev.B. - 1995. - V. 51.

- P. 9622-9628.

20. Caillat T., Borshchevsky A., Fleurial J.-P. Properties of single crystalline semiconducting CoSb3 // J.Appl.Phys. - 1996. - V. 80. - P. 4442-4449.

21. Hicks L.D., Harman T.C., Sun X., Dresselhaus M.S. Experimental study of the effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit // Phys. Rev. B. - 1996.

- V. 53. - P. R10493-1-R10493-4.

22. Thermoelectric Materials 2003-Research and Applications / Eds: G.S.Nolas, J.Yang, T.P.Hogan, D.C.Johnson // Materials Research Society, 2004. - 466 p.

23. Hsu K.F., Loo S., Guo F., Chen W., Dyck J.S., Uher C., Hogan T., Polychroniadis E.K., Kanatzidis M.G. Cubic AgPbmSbTe2+m: Bulk Thermoelectric Materials with High Figure of Merit // Science. - 2004. - V. 303. - P. 818-821.

24. Dresselhaus M.S., Chen G., Tang M.Y., Yang R., Lee H., Wang D., Ren Z., Fleurial J.-P., Gogna P. New Directions for Low-Dimensional Thermoelectric Materials // Adv. Mater.

- 2007. - V. 19. - P.1-12.

25. Poudel B., Hao Q., Ma Y., Lan Y., Minnich A., Yu B., Yan X., Wang D., Muto A., Vashaee D., Chen X., Liu J., Dresselhaus M.S., Chen G., Ren Zh. High-thermoelectric performance of nanostructured bismuth antimony telluride bulk alloys /

26. Ur S.-C., Kim I.-H., Nash P. Thermoelectric properties of Zn4Sb3 processed by sintering of cold pressed compacts and hot pressing // J. Mater. Sci. - 2007. - V. 42. - P. 2143-2149.

27. Scheele M., Oeschler N., Meier K., Koronowski A., Klinke C., Weller H. Synthesis and Thermoelectric Characterization of Bi2Te3 Nanoparticles // Adv. Funct. Mater. - 2009. -V. 19. - P. 3476-3483.

28. Wang X.W., Lee H., Lan Y.C., Zhu G.H., Joshi G., Wang D. Z., Yang J., Muto A. J., Tang M. Y., Klatsky J., Song S., Dresselhaus M. S., Chen G., Ren Z. Enhanced thermoelectric figure of merit in nanostructured n-type silicon germanium

29. Xie W.J., Tang X.F., Yan Y.G., Zhang Q.J., Tritt T.M. Unique nanostructures and enhanced thermoelectric performance of melt-spun BiSbTe alloys // Applied physics letters. -2009. - V. 94. - P. 102111-1-102111-3.

30. Saleemi M. Nano-Engineered Thermoelectric Materials for Waste Heat Recovery // KTH Royal Institute of Technology, 2014. - 52 p.

31. Bux S.K., Yeong M.T., Toberer E.S., Snyder G.J., Kaner R.B., Fleurial J.-P. Mechanochemical synthesis and thermoelectric properties of high quality magnesium silicide // J. Mater. Chem. - 2011. - V. 21. - P. 12259-12266.

32. Pei Y., LaLonde A., Iwanaga S., Snyder G.J. High thermoelectric figure of merit in heavy hole dominated PbTe // Energy & Environmental Science. - 2011. - V. 4. - P. 20852089.

33. Zide J.M.O., Bahk J.-H., Singh R., Zebarjadi M., Zeng G., Lu H., Feser J.P., Xu D., Singer S.L., Bian Z.X., Majumdar A., Bowers J.E., Shakouri A., Gossard A. C. High efficiency semimetal/semiconductor nanocomposite thermoelectric mat

34. Shi X., Chen L., Uher C. Recent advances in high-performance bulk thermoelectric materials // International Materials Reviews. - 2016. - V.61, №6. - P. 379-415.

35. Ma Y., Hao Q., Poudel B., Lan Y., Yu B., Wang D., Chen G., Ren Z. Enhanced Thermoelectric Figure-of-Merit in p-Type Nanostructured Bismuth Antimony Tellurium Alloys Made from Elemental Chunks // Nano Letters. - 2008. - V. 8, №8. - P.

36. Caillat T., Firdosy S., Li B.C.-Y., Huang C.-K., Cheng B., Paik J., Chase J., Arakelian T., Lara L., Fleurial J.-P. Progress status of the development of high-efficiency segmented thermoelectric couples // Proceedings of the Topical

37. Tritt T.M. Thermoelectric Materials: Principles, Structure, Properties, and Applications / Encyclopedia of Materials: Science and Technology // Eds. K. H. J. Buschow, R. W. Cahn, M. C. Flemings, B. Ilschner, E. J. Kramer, S. Mahajan,

38. Dresselhaus M.S., Chen G., Tang M.Y., Yang R.G., Lee H., Wang D.Z., Ren Z.F., Fleurial J.P., Gogna P. // Materials and Technologies for Direct Thermal-to-Electric Energy Conversion, MRS Symp. Proc. / Eds J. Yang, T.P. Hogan, R. Funah

39. Fleurial J.-P., Gogna P., Chen G., Dresselhaus M.S., Lee H. Tang M.Y., Ren Z.F., Wang D., Bux S., King D., Kaner R., Blair R. Nanostructured Bulk Thermoelectric Materials // Proceedings of 6th European Conference on Thermoelectrics /

40. Wang J., Tang X., Liu H., Yang X., Zhang Q. Optimization of p-type segmented Bi2Te3/CoSb3 thermoelectric material prepared by spark plasma sintering // Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition. - 2006. - V.

41. Caillat T., Fleurial J.-P., Snyder G. J., Zoltan A., Zoltan D., Borshchevsky A. A New High Efficiency Segmented Thermoelectric Unicouple. // 34th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, 1999 - P.2567-2570.

42. Caillat T., Fleurial J.-P., Snyder G.J., Borshchevsky A. Development of high efficiency segmented thermoelectric unicouples // XX International Conference on Thermoelectrics, 2001. - P. 282-285.

43. Fleurial J. -P., Borshchevsky A., Caillat T. New Thermoelectric Materials and Devices for Terrestrial Power Generators // Proceedings of the 1st Conference on Synergistic Power and Propulsion Systems Technology, 1997. - P. 293-298.

44. Fleurial J.-P., Borshchevsky A., Caillat T., Ewell R. New Materials and Devices for Thermoelectric Applications // Proceedings of the 32nd Intersociety Energy conversion Engineering Conference, 1997 - P. 1080-1085.

45. Caillat T., Borshchevsky A., Fleurial J.-P. Development of High Efficiency Thermoelectric Generators Using Advanced Materials // Proceedings of the 15th Symposium on Space Nuclear Power and Propulsion, 1998 - P. 1647-1651.

46. Caillat T., Fleurial J.-P., Snyder G.J., Zoltan A., Zoltan D., Borshchevsky A. Progress in the Development of High Efficiency Segmented Thermoelectric Generators // Proceedings of the 16th Symposium on Space Nuclear Power and Propuls

47. Olsen M.L., Warren E.L., Parilla P.A., Toberer E.S. A high-temperature, high-efficiency solar thermoelectric generator prototype // Energy Procedia. — 2014. — V. 49. — P. 1460-1469.

48. Snyder G.J. Application of the compatibility factor to the design of segmented and cascaded thermoelectric generators // Applied physics letters. — 2004. — V. 84. — P. 2436-2438.

49. El-Genk M.S., Saber H.H., Caillat T. Efficient segmented thermoelectric unicouples for space power applications // Energy conversion and management. — 2003. — V.44. — P. 1755-1772.

50. Swanson B.W., Somers E.V., Heikes R.R. Optimization of a Sandwiched Thermoelectric Device // Journal of Heat Transfer. — 1961. — V. 83. — P. 77-82.

51. Hendricks T. J., Karri N. K., Hogan T. P., Cauchy C. J. New Perspectives in Thermoelectric Energy Recovery System Design Optimization // Journal of electronic materials. — 2013. — V. 42, № 7. — P. 1725-1736.

52. Mei D., Wang H., Yao Z., Li Y. Numerical modeling and optimization of the segmented PbTe—BiTe-based thermoelectric leg // Journal of applied physics. —2016. —V. 120, № 12. — P. 124503-1—124503-9.

53. Ouyang Z., Li D. Modelling of segmented high performance thermoelectric generators with effects of thermal radiation, electrical and thermal contact resistances // Scientific reports. — 2016. — V. 6. — P. 1-12.

54. Saber H. H., El-Genk M. S., Caillat T. Tests results of skutterudite based thermoelectric unicouples // Energy Conversion and Management. — 2007. — V. 48, № 2. — P. 555—567.

55. Kessler V., Dehnen M., Chavez R., Engenhorst M., Stoetzel J., Petermann N., Hesse K., Huelser T., Spree M., Stiewe C., Ziolkowski P., Schierning G., Schmechel R. Fabrication of High-Temperature-Stable Thermoelectric Generator Modules

56. 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

57. Родерик Э.Х. Контакты металл-полупроводник / Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1982. — 208 с.

58. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. — Л.: Наука, 1967. — 283 с.

59. Ferrario A., Battiston S., Boldrini S., Sakamoto T., Miorin E., Famengo A., Miozzo A., Fiameni S., Iida T., Fabrizio M. Mechanical and electrical characterization of low-resistivity contact materials for Mg2Si // Materials today-proc

60. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник. - Киев: Наук, думка, 1979. - 768 с.

61. Dorr W. Frigistoren-Thermopaare aus Halbleitermaterial zur Verwedung als Kuhlelemente und Warmepumpen // Elektronische Rundschau. - 1961. - V. 3. - P. 107 - 111.

62. Hanlein W. Die Technologisschen Probleme bei der Anwendung des Peltiereffekts Kaltetechnik. - 1960. - V. 2. - P. 137 - 144.

63. Козорезов М.П. Разработка и экспериментальное исследование коммутации термоэлементов на основе вакуумных конденсаторов металлов: Автореферат дис. канд. техн. наук. - Воронеж, 1973.

64. Патент № 3249470 (США) МКИ HOI L35/34, НКИ 136-203.

65. Патент № 4489742 (США) МКИ HOI L35/34, НКИ 136-203.

66. Агеев Ю.И. Работа охлаждающих термоэлементов в экстремальных режимах: Дис.канд.физ.-мат.наук. - Л., 1985. - 186 с.

67. Pat. 2171254 A (GB) Thermoelectric Element, thermoelectric device and methods of manufacturing the same. - 1986.

68. Gelb A.S., Blalock S.L., Volckmann E.N. The Effect of Copper on the Properties of Thermoelectric Coolers // Proc. 6th Inter.Conf. on Thermoelectric Energy Conversion. Arlington, Texas, USA. - Arlington, 1986. - P. 125 - 131.

69. Городецкий С.М., Драбкин И.А., Нельсон И.В. Исследование координатной зависимости удельного сопротивления сплавов на основе теллурида висмута // Материалы для термоэлектрических преобразователей. - Л.: ФТИ, 1987. - С. 70 - 71.

70. Стильбанс Л.С. О коммутации полупроводниковых термоэлементов // ЖТФ. -1957. - Т. 27. - № 1. - С. 212 - 213.

71. Аморфные и поликристаллические полупроводники / Под. ред. В. Хейванга. Пер. с нем. - М.: Мир, 1987. - 160 с.

72. Колесникова А.А., Комов А.Н. Исследование методов TLM для оценки сопротивления омических контактов, изготовленных к гетероструктурам P-SiC/Si// Вестн. СамГУ: Естественнонаучная серия. 2006. № 2(42). С.155 - 160.

73. Arai K., Matsubara M., Sawada Y., Sakamoto T., Kineri T., Kogo Y., Iida T., Nishio K. Improvement of Electrical Contact Between TE Material and Ni Electrode Interfaces by Application of a Buffer Layer // Journal of electronic materia

74. Kashi S., Keshavarz M.K., Vasilevskiy D., Masut R.A., Turenne S. Effect of Surface Preparation on Mechanical Properties of Ni Contacts on Polycrystalline (Bi1-xSbx)2(Te1-ySey)3 Alloys // Journal of electronic materials. - 2012. - V.

75. Sher A., Ilzycer D., Shiloh M. Preparation and Characterization of Thermoelectrical materials // Proc. 4-th Inter. Conf. On Thermoelectric Energy Conversion, Arlington, USA. -Arlington, 1982. - P. 35.

76. Федоров М.И., Зайцев В.К., Соломкин Ф.Ю., Ведерников М.В. Термоэлектрические элементы на основе соединений кремния с переходными металлами // Письма в ЖТФ. - 1997. - Т. 23, № 15. - С. 64 - 69.

77. Chuang T.H., Lin H.J., Chuang C.H., Yeh W.T., Hwang J.D., Chu H.S. Solid Liquid Interdiffusion Bonding of (Pb, Sn)Te Thermoelectric Modules with Cu Electrodes Using a Thin-Film Sn Interlayer // Journal of electronic materials. - 2014

78. Sakamoto T., Taguchi Y., Kutsuwa T., Ichimi K., Kasatani S., Inada M. Investigation of Barrier-Layer Materials for Mg2Si/Ni Interfaces // Journal of electronic materials. - 2016. - V. 45, №3. - P. 1321-1327.

79. Saber H.H., El-Genk M.S. Effects of metallic coatings on the performance of skutterudite-based segmented unicouples // Energy Conversion and Management. - 2007. - V. 48. - P. 1383-1400.

80. Donga H., X. Li, Huang X., Zhou Y., Jiang W., Chen L. Improved oxidation resistance of thermoelectric skutterudites coated with composite glass // Ceramics International. - 2013. - V. 39. - P. 4551-4557.

81. Xia X., Huang Xi., Li X., Gu M., Qiu P., Liao J., Tang Y., Bai S., Chen L. Preparation and structural evolution of Mo/SiOx protective coating on CoSb3-based filled skutterudite thermoelectric material // Journal of alloys and compoun

82. Park S.H., Kim Y., Yoo C.-Y., Yoon G. Oxidation and sublimation suppression of PbTe thermoelectric legs by plasma coated ceramic layers // Journal of Vacuum Science & Technology A. - 2016. - V. 34. - P. 061101-1-061101-9.

83. Sadia Y., Ohaion-Raz T., Ben-Yehuda O., Korngold M., Gelbstein Y. Criteria for extending the operation periods of thermoelectric converters based on IV-VI compounds // Journal of Solid State Chemistry. - 2016. - V. 241. - P. 79-85.

84. Nesbitt J.A. Rate of Sublimation of Yb14MnSb11, a Thermoelectric Material for Space Power Applications // Journal of electronic materials. - 2014. - V. 43,.№9. - P. 31283137.

85. Wei P., Zhao W.-Y., Dong C.-L., Ma B., Zhang Q.-J. Thermal Stability of Barium and Indium Double-Filled Skutterudite Ba0.3In0.2Co3.95Ni0.05Sb12 Coated by SiO2 Nanoparticles // Journal of electronic materials. - 2010. - V. 39, №9. - P

86. Berger B.L. Development of a protective coating for tags-85 thermoelectric material // Master's thesis, University of Dayton, Dayton, 2013.

87. Snyder G.J., Ursell T.S. Thermoelectric Efficiency and Compatibility // Physical review letters. - 2003. - V. 91, №14. - P. 148301-1-148301-4.

88. Bjork R., Christensen D.V., Eriksen D., Pryds N. Analysis of the internal heat losses in a thermoelectric generator // International Journal of Thermal Sciences. - 2014. - V. 85. - P. 12-20.

89. Cook B.A., Chan T.E., Dezsi G., Thomas P., Koch C.C., Poon J., Tritt T., Venkatasubramanian R.High-Performance Three-Stage Cascade Thermoelectric Devices with 20% Efficiency // Journal of electronic materials. - 2015. - V. 44, №6. -

90. Tian H., Sun X., Jia Q., Liang X., Shu G., Wang X. Comparison and parameter optimization of a segmented thermoelectric generator by using the high temperature exhaust of a diesel engine // Energy. - 2015. - V. 84. - P. 121-130.

91. Decher R. Direct energy conversion: Fundamentals of Electric Power Production. -New York Oxford Oxford University Press, 1997. - 275 p.

92. Huang G.-Y., Hsu C.-T., Yao D.-J. Model for Increasing the Power Obtained from a Thermoelectric Generator Module // Journal of electronic materials. - 2014. - V. 43, №6. - P. 2337-2343.

93. Kim H.S., Liu W., Ren Z. The bridge between the materials and devices of thermoelectric power generators // Energy & Environmental Science. - 2017. - V. 10. - P. 6985.

94. Ursell T. S., Snyder G. J. Compatibility of Segmented Thermoelectric Generators // Proceedings ICT '02. Twenty-First International Conference on Thermoelectrics / IEEE, 2002.

- P. 412-417.

95. Yan X., Poudel B., Ma Y., Liu W. S., Joshi G., Wang H., Lan, Y. Wang D., Chen G., Ren Z. F. Experimental Studies on Anisotropic Thermoelectric Properties and Structures of n-Type Bi2Te2.7Se0.3 // Nano letters. - 2010. - V. 10, № 9. -

96. Zheng G.H.,Yuan Z.H., Dai Z.X., Wang H.Q., Li H.B., Ma Y.Q., Li G. Improvement of the Thermoelectric Properties of (Sr0.9La0.1)3Ti207 by Ag Addition // J Low Temp Phys. - 2013. - V. 173. - P. 80-87.

97. Chere E.K., Zhang Q., McEnaney K., Yao M., Cao F., Sun J., Chen S., Opeil C., Chen G., Ren Z. Enhancement of Thermoelectric Performance in n-type PbTe1-ySey by Doping Cr and Tuning Te:Se ratio // Nano energy. - 2015. - V. 13. - P. 35

98. Shi X., Yang J., Salvador J.R., Chi M., Cho J.Y., Wang H., Bai S., Yang J., Zhang W., Chen L. Multiple-Filled Skutterudites: High Thermoelectric Figure of Merit through Separately Optimizing Electrical and Thermal Transports // J. Am

99. Dynys F.W., Sayir A., Mackey J., Sehirlioglu A. Thermoelectric Properties of WSi2-SixGe1-x Composites // Journal of alloys and compounds. - 2014. - V. 604. - P. 196203.

100. Iwanaga S., Toberer E.S., LaLonde A., Snyder G.J. A high temperature apparatus for measurement of the Seebeck coefficient // Rev. Sci. Instrum. - 2011. - V. 82. - P. 0639051-063905-6.

101. Mackey J., Dynys F., Sehirlioglu A. Uncertainty analysis for common Seebeck and electrical resistivity measurement systems // Review of Scientific Instruments. - 2014. - V. 85.

- P.085119-1-085119-10.

102. Böttger P.H.M., Flage-Larsen E., Karlsen O.B., Finstad T.G. High temperature Seebeck coefficient and resistance measurement system for thermoelectric materials in the thin disk geometry // Review of scientific instruments. - 2012. -

103. Iwanaga S., Snyder G.J. Scanning Seebeck Coefficient Measurement System for Homogeneity Characterization of Bulk and Thin-Film Thermoelectric Materials // Journal of electronic materials. - 2012. - V. 41, № 6. - P. 1667-1674.

104. He X., Yang J., Jiang Q., Luo Y., Zhang D., Zhou Z., Ren Y., Li X., Xin J., Hou J. A new method for simultaneous measurement of Seebeck coefficient and resistivity // Review of scientific instruments. - 2016. - V. 87, № 12. - P. 1249

105. García-Cañadas J., Min G. Multifunctional probes for high-throughput measurement of Seebeck coefficient and electrical conductivity at room temperature // Review of Scientific Instruments. - 2014 - V. 85. - P. 043906-1-043906-4.

106. Martin J., Tritt T., Uher C. High temperature Seebeck coefficient metrology // J. Appl. Phys. - 2010. -V. 108. - P. 121101-1-121101-12.

107. Бурков А.Т., Федотов А.И., Касьянов А.А., Пантелеев Р.И., Накама Т. Методы и устройства измерения термоЭДС и электропроводности термоэлектрических материалов при высоких температурах // Научно-технический вестник информационных техно

108. Коротких А.Г. Теплопроводность материалов: учебное пособие / А.Г. Коротких; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. - 97 с.

109. Tong X.C. Advanced Materials for Thermal Management of Electronic Packaging // Springer US, 2011. - 633 p.

110. Берман Р. Теплопроводность твердых тел / М.: Мир, 1979. - 286 с.

111. Аметистов Е.В., Григорьев В.А., Емцев Б.Т. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник / Е.В. Аметистов, В.А. Григорьев, Б.Т. Емцев и д.р.; Под. общ. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. - М.: Энергоиздат, 1982. -51

112. Thermal conductivity: theory, properties, and applications / edited by T. Tritt. Springer US, 2004. - 290 p.

113. Li D., Qin X.Y., Zhang J., Song C.J., Liu Y.F., Wang L., Xin H.X., Wang Z.M. Thermoelectric anisotropy of n-type Bi2Te3-xSex prepared by spark plasma sintering // RSC advances. - 2015. - V. 5, № 54. - P. 43717-43722.

114. Dasgupta T., Umarjia A.M. Apparatus to measure high-temperature thermal conductivity and thermoelectric power of small specimens // Review of scientific instruments. - 2005. - V. 76, I. 9. - P. 094901-1-094901-5.

115. Maldonado O. Pulse method for simultaneous measurement of electric thermopower and heat conductivity at low temperatures // Cryogenics. - 1992. - V. 32. - I. 10.

- P. 908-912.

116. Insulation Materials in Context of Sustainability / Ed. A. Almusaed, A. Almssad // InTech, 2016. - 148 p.

117. Zhao D., Qian X., Gu X., Jajja S.A., Yang R. Measurement techniques for thermal conductivity and interfacial thermal conductance of bulk and thin film materials // Journal of Electronic Packaging, Transactions of the ASME. - 2016. -

118. Martin J. Protocols for the high temperature measurement of the Seebeck coefficient in thermoelectric materials // Measurement science and technology. - 2013. - V. 24, № 8. - P. 085601-1-085601-12.

119. Kumar S.R.S., Kasiviswanathan S. A hot probe setup for the measurement of Seebeck coefficient of thin wires and thin films using integral method // Review of Scientific Instruments. - 2008. - V. 79. - P. 024302-1-024302-4.

120. Rawat P.K., Paul B. Simple design for Seebeck measurement of bulk sample by 2-probe method concurrently with electrical resistivity by 4-probe method in the temperature range 300-1000 K // Measurement. - 2016. - V. 91. - P. 613-619.

121. Heremans J.P., Thrush C.M., Morelli D.T. Thermopower enhancement in lead telluride nanostructures // Physical review B. - 2004. - V. 70. - P. 115334-1-115334-5.

122. Liu J., Zhang Y., Wang Z., Li M., Su W., Zhao M., Huang S., Xia S., Wang C. Accurate measurement of Seebeck coefficient // Review of scientific instruments. - 2016. -V.87. - P. 064701-1-064701-6.

123. Patel A., Pandey S.K. Automated instrumentation for high-temperature Seebeck coefficient measurements // Instrumentation science & technology. - 2017. - V. 45, № 4. - P. 366-381.

124. Ufimtsev V.B., Osvensky V.B., Bublik V.T., Sagalova T.B., Jouravlev O.E. Structure, homogeneity and properties of thermoelectric materials based on ternary solid solutions of bismuth and antimony chalcogenides // Advanced Performance

125. Thermoelectrics handbook : macro to nano / Ed. D.M. Rowe. // CRC Press, 2006.

- 954 p.

126. Liu G., Zhao W.-Y., Zhou H.-Y., Wei P., Yu J., Tang D.-G., Zhang Q.-J. Design and Optimization of Gradient Interface of Ba0.4In0.4Co4Sb12/Bi2Te2.7Se0.3 Thermoelectric Materials // Journal of electronic materials. - 2012. - V.41, №6.

127. Zhou H.-Y., Zhao W.-Y., Liu G., Cheng H., Zhang Q.-J. Design and Optimization of Gradient Interface of p-Type Ba0.3In0.3FeCo3Sb12/Bi0.48Sb1.52Te3 Thermoelectric Materials // Journal of electronic materials. - 2012. - V. 42, №7. - P.

128. Stern Yu., Pavlova L., Mironov R. Thermal Expansion of n-Type Doped Bi2Te2.88Se0.12 and p-Type Doped Bi0.52Sb1.48Te3 Solid Solutions from -60°C to +60°C // Journal of electronic materials. - 2010. - V. 39, №9. - P. 1422-1428.

129. Yoneda S., Kato M., Ohsugi I.J. Anomalous thermal expansion of Pb-Te system semiconductors // Journal of Applied Physics. - 2010. - V. 107. - P. 074901-1-074901-6.

130. Hikage Y., Masutani S., Sato T., Yoneda S., Ohno Y., Isoda Y., Imai Y., Shinohara Y. Thermal Expansion Properties of Thermoelectric Generating Device Component // 26th International Conference on Thermoelectrics, 2007. - P. 331-335.

131. Wiedemeir H., Siemers P.A. The Thermal Expansion of GeS and GeTe // journal of inorganic and general chemistry. -1977. - V. 431. - P. 299-304.

132. Tsuchiya Y. The anomalous negative thermal expansion and the compressibility maximum of molten Ge-Te alloys // Journal of the physicial society of Japan. - 1991. -V. 60, №1. - P. 227-234.

133. Houston B., Strakna R.E., Belson H.S. Elastic Constants, Thermal Expansion, and Debye Temperature of Lead Telluride // Journal of Applied Physics. - 1968. - V. 39. - P. 3913-3916.

134. Skelton J.M., Parker S.C., Togo A., Tanaka I., Walsh A. Thermal physics of the lead chalcogenides PbS, PbSe, and PbTe from first principles // Physical Review B. - 2014. -V. 89. - P. 205203-1-205203-10.

135. Dalven R. A review of the semiconductor properties of PbTe, PbSe, PbS and PbO // Infrared Physic. - 1969. - V. 9. - P. 141-184.

136. Phewphong S., Rittiruam M., Kantee S., Seetawan T. Thermal Properties of Bi Doped PbTe Simulated by Molecular Dynamics // Integrated Ferroelectrics. - 2014. - V. 155, №1. - P. 150-155.

137. Ravi V., Firdosy S., Caillat T., Brandon E., Van Der Walde K., Maricic L., Sayir A. Thermal Expansion Studies of Selected High-Temperature Thermoelectric Materials // Journal of electronic materials. - 2009. - V. 38, № 7. - P. 1433-1

138. Dismukes J.P., Ekstrom L., Paff R.J. Lattice Parameter and Density in Germanium-Silicon Alloys // The Journal of Physical Chemistry. - 1964. - V. 68, №10. - P. 3021-3027.

139. Yang X.Y., Wu J.H., Gu M., Xia X.G., Chen L.D. Fabrication and contact resistivity of W-Si3N4/TiB2-Si3N4/p-SiGe thermoelectric joints // Ceramics International. -2016. - V. 42, № 7. - P. 8044-8050.

140. Новикова С.И. Тепловое расширение твердых тел //Наука, 1974. - 294 с.

141. Ni J.E., Case E.D., Schmidt R.D., Wu C.-I., Hogan T.P., Trejo R.M., Kirkham M.J., Lara-Curzio E., Kanatzidis M.G. The thermal expansion coefficient as a key design parameter for thermoelectric materials and its relationship to proces

142. Compendium of thermophysical property measurement methods / Eds. Cezairliyan A., Maglic K.D., Peletsky V.E. // Springer US, 1992. - 643 p.

143. Thermal Expansion of Solids / C. Y. Ho, R. E. Taylor // Asm Intl, 1998. - 293 p.

144. James J. D., Spittle J. A., Brown S. G. R., Evans R. W. A review of measurement techniques for the thermal expansion coefficient of metals and alloys at elevated temperatures // Measurement science and technology. - 2001. - V.12, №3.

145. Touloukian Y.S., Kirby R.K., Taylor R.E., Desai P.D. Thermophysical Properties of Matter // TPRC Data Series, 1975. - 1436 p.

146. Физический энциклопедический словарь / под ред. Прохоров А.М. М.: Советская Энциклопедия, 1984. - 944 с.

147. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015661437 от 27.11.2015, Российская Федерация. «Программное обеспечение для измерительного комплекса по исследованию тепло- и электрофизических параметров термоэлектрических материалов, структур и устройств на их основе» / Штерн Ю.И., Лазаренко П.И., Терехов Д.Ю., Рогачев М.С., Шерченков А.А. Заявка №2015618305 от 11.09.2015.

148. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017611334 от 01.02.2017, Российская Федерация. «Программное обеспечение для

исследования КПД термоэлементов» / Штерн Ю.И., Лазаренко П.И., Рогачев М.С., Терехов Д.Ю., Штерн М.Ю. Заявка №2016663348 от 07.12.2016.

149. Shtern M.Yu., Kozhevnikov Ya.S., Shtern Yu.I., Mironov R.E., Karavaev I.S., Rogachev M.S. Intellectual Precise Temperature Sensor with Wireless Interface // Acta physica polonica A. - 2016. - V.129, №4. - P. 779-781.

150. Shtern Yu. I., Kozhevnikov Ya. S., Karavaev I. S., Shtern M. Yu., Rogachev M. S. Electronic thermometer with the data transfer by radiochannel. 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). Proceedings. - 2016. IEEE, 2016. -P. 7491846-1-7491846-4.

151. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015662543 от 26.11.2015, Российская Федерация. «Программное обеспечение функционирования интеллектуального датчика температуры» / Штерн Ю.И., Рыков В.М., Караваев И.С., Рогачев М.С., Штерн М.Ю. Заявка №2015619309 от 06.10.2015.

152. Shtern Yu. I., Karavaev I. S., Rykov V. M., Shtern M. Yu., Rogachev M. S. Development of the method of software temperature compensation for wireless temperature measuring electronic instruments // IJCTA. - 2016. - Val. 9, 30. - P. 139-146.

153. Yu. I. Shtern, Ya. S. Kozhevnikov, I.S. Karavaev, M. Yu. Shtern, A.A. Sherchenkov, M. S. Rogachev. Investigation and Calibration Methods of Precise Temperature Sensors for Controlling Heat Consumption // 3rd International Congress on Energy Efficiency and Energy Related Materials (ENEFM2015) Proceedings / Springer International Publishing, 2016. - P. 197-202.

154. Shtern M.Yu., Kozhevnikov Ya.S., Shtern Yu.I., Mironov R.E., Karavaev I.S., Rogachev M.S. Intellectual precise temperature sensor with wireless interface // 5th international advances in applied physics and materials science congress & exhibition, april 16-19, 2015, Fethiye, Turkey. - P. 503.

155. Shtern Yu.I., Kozhevnikov Ya.S., Karavaev I.S., Shtern M.Yu., Sherchenkov A.A., Rogachev M.S. Investigation and calibration methods of precise temperature sensors for controlling heat consumption // Book of abstracts ENEFM 2015. - P. 138.

156. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2016611141 от 27.01.2016, Российская Федерация. «Программа для калибровки интеллектуальных беспроводных датчиков температуры» / Штерн Ю.И., Рыков В.М.,

Доронин С.Ю., Караваев И.С., Рогачев М.С., Штерн М.Ю. Заявка № 2015661846 от 04.12.2015.

157. Shtem Yu. I. A procedure to study thermo- and electrophysical properties of materials // Inorganic Materials. - V. 45, № 14. - P. 1631-1634.

158. Рогачев М.С. Разработка и исследование многосекционных термоэлементов для эффективных термоэлектрических генераторов // Микроэлектроника и информатика — 2018. 25-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: тезисы докладов. — М.: МИЭТ, 2018. — С. 34.

159. Shtern Yu.I., Sherchenkov A.A., Rogachev M.S., Babich A.V. Investigation of thermoelectric properties and thermal stability of semiconductor materials for the application in middle temperature thermoelectric generators // 2018 Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus) / IEEE, 2018.— P. 1642-1645.

160. Shtern Y. I., Sherchenkov A.A., Babich A.V., Rogachev M.S. Investigation of nanostructured thermoelectric material Si0.8Ge0.2P0.022 for application in multisectional legs of thermoelectric elements // Journal of Nano- and Electronic Physics. — 2016. — Vol. 8, № 4. — P. 04049-1—04049-3.

161. Zabrocki K., Müller E., Seifert W., Trimper S. Performance optimization of a thermoelectric generator element with linear, spatial material profiles in a one-dimensional setup // Advances in Thermoelectric Materials. — 2011. — V. 26,

162. Bian Z., Shakouri A. Beating the maximum cooling limit with graded thermoelectric materials // Appl. Phys. Lett. — 2006. — V. 89. — P. 212101-1—212101-3.

163. Mahan G.D. Inhomogeneous thermoelectrics // J. Appl. Phys. — 1991. — V. 70. — P. 4551—4554.

164. Seifert W., Muller E., Walczak S. Local optimization strategy based on first principles of thermoelectrics // Phys. Status Solidi A. — 2008. — V. 2015, № 12. — P. 29082918.

165. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2016619901 от 01.09.2016, Российская Федерация. «Программа для расчета ветвей многосекционного термоэлемента» / Ефимов С.В., Штерн Ю.И., Рогачев М.С., Штерн М.Ю. Заявка №2016617030 от 01.07.2016.

166. Gupta R. P., Xiong K., White J. B., Cho K., Alshareef H.N., Gnadea B E. Low Resistance Ohmic Contacts to Bi2Te3 Using Ni and Co Metallization // Journal of the electrochemical society. - 2010. - V. 157, № 6. - P. H666-H670.

167. Thimont Y., Lognone Q., Goupil C., Gascoin F., Guilmeau E. Design of Apparatus for Ni/Mg2Si and Ni/MnSi1.75 Contact Resistance Determination for Thermoelectric Legs // Journal of electronic materials. - 2014. - V. 43, №6. - 2023-2028

168. Громов Д.Г., Штерн Ю.И., Рогачев М.С., Шулятьев А.С., Кириленко Е.П., Штерн М.Ю., Федоров В.А., Михайлова М.С. Тонкопленочные контактные слои Mo/Ni и NI/Ta-W-N/Ni для среднетемпературного термоэлемента на основе (Bi, Sb)2Te3 // Неорганические материалы. - 2016. - Т.52, №11. - С. 1206-1210.

169. Gromov D. G., Shtern Yu. I., Rogachev M. S., Shulyat'ev A. S., Trifonov A. Yu., Kirilenko E. P. Performance of Bi2Te3 Thermoelectric Element Improved by Means of Contact System Ni/Ta-W-N/Ni // 3rd International Congress on Energy Efficiency and Energy Related Materials (ENEFM2015) Proceedings / Springer International Publishing, 2016. - P. 253-258.

170. Gromov D. G., Shtern Yu. I., Rogachev M.S., Shulyat'ev A. S. Performance of Bi2Te3 thermoelectric element improved by means of contact system Ni/Ta-W-N/Ni / Book of abstracts ENEFM, 2015. - P. 288.

171. Технология толстых и тонких пленок / Под ред. А. Рейсмана, К. Роуза. Пер. с англ. - М.: Мир, 1972. - 176 с.

172. Термические константы веществ / Под ред. Глушко В.П. - М.: ВИНИТИ, 1972. - 368 с.

173. Термические константы веществ / Под ред. Глушко В.П. - М.: ВИНИТИ, 1968. - 221 с.

174. Штерн Ю.И., Боженарь Д.А. Технология получения омических контактов к термоэлементам с высокой адгезионной прочностью // Изв. вузов. Электроника. - 2001. - № 1. - С. 34 - 38.

175. Освенский В.Б., Каратаев В.В., Малькова Н.В., Бублик В.Т., Гостев Ю.В., Сагалова Т.Б., Табачкова Н.Ю. Изучение структурных механизмов нарушения адгезии антидиффузионного покрытия никеля на термоэлектрических материалах Bi-Te-Sb // Известия Вузов. Материалы электронной техники. - 2002. -№ 2. - С. 70-73.

176. Пат. 2601243 Российская Федерация, МПК H01L 35/34. Способ получения термоэлектрического элемента / Штерн Ю.И., Громов Д.Г., Рогачев М.С., Штерн М.Ю., Дубков С.В.; РФ. №2015125037/28; заявл. 25.06.2015; опубл. 06.11.2016, Бюл. №20. 5 с: ил.

177. Rogachev M.S., Shtern Yu.I., Shtern M.Yu. Modeling of thermal expansion of the multisectional generator thermoelements // 2018 Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus) / IEEE, 2018. - P. 1635-1638.

178. Shtern Yu.I., Igumnova N.V., Sherchenkov A.A., Rogachev M.S., Shtern M.Yu. The protective coatings for the multisectional thermoelements of the generators working at the temperatures up to 1200 K // Journal of Physics: Conf. Series. - 2017. - V. 857. - P. 0120411-012041-5.

179. Штерн Ю.И., Игумнова Н.В., Шерченков А.А., Рогачев М.С., Штерн М.Ю. Защитные покрытия для многосекционных генераторных термоэлементов, работающих до 1200 К / Пленки и покрытия-2017: Труды 13-й Международной конференции. 18-20 апреля 2017 г. СПб: Изд-во Политехн. Ун-та, 2017 - С. 360.

180. Infrared Gold Image Furnace: Brochure [Электронный ресурс]. - Ulvac Sinku-Riko. - Yokohama - режим доступа: http://www.ulvac.com/

181. Silicon Germanium Thermoelectrical Materials and Module Development Program (1st Quarterly Report) / N. J., 1968.

182. Biront V. S., Anikina V. I., Kovalyova A. A. Dilatometer analysis of structural transformations in the aluminium-silicon alloys during the thermo-cyclic processing // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. - 2000 - V. 2. - P. 384-393.

183. Фаттахов Я.В., Галяутдинов М.Ф., Львова Т.Н., Хайбуллин И.Б. Формирование двумерной периодической структуры локальных областей плавления на поверхности кремния при импульсном световом облучении // Журнал технической физики, 1997. - Т. 67, № 12. - С. 97-99.

184. Климов Ю.М., Майоров В.С., Хорошев М.В. Взаимодействие лазерного излучения с веществом / М.: МИИГАиК, 2014. - 108 с.

185. Кудряшов С. И., Емельянов В. И. Структурные переходы в кремнии под действием фемтосекундного лазерного импульса: роль электронно-дырочной плазмы и фонон-фононного ангармонизма // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2002. - Т. 121, №. 1. - С. 113.

186. Глазов В.М., Кольцов В.Б., Куцова В.З., Регель А.Р., Таран Ю.Н., Тимошина Г.Г., Узлов К.И., Фалькевич Э.С. Структурные превращения при нагреве монокристаллов кремния // Физика и техника полупроводников. - 1991. - Т. 25, №. 4. -С. 588-595.

187. Rogachev M. S., Pavlova L. M., Shtern Yu. I. Investigation of thermal linear expansion for nanostructured Si0.8Ge0.2P0.022 in wide temperature range // Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - №741. - P. 012203-1-012203-6.

188. Rogachev M.S., Pavlova L.M., Shtern Yu.I. Investigation of thermal linear expansion for nanostructured Si0.8Ge0.2P0.022 in wide temperature range / BOOK of ABSTRACTS 3rd International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, 2016. - P. 543-544.

189. Рогачев М.С. Математическая модель для расчёта и оптимизации конструкции многосекционного термоэлемента / 22-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция "Микроэлектроника и информатика - 2015." Тезисы докладов. -М.: МИЭТ, 2015. - с. 54.

190. Shtern Y.I., Gromov D.G., Shtern M.Yu., Sherchenkov A.A., Rogachev M.S. Multisectional thermoelement for generators working at the temperatures up to 1200 K // Proceedings of the 2017 IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference / IEEE, 2017. - P. 1201-1204.

191. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017612379 от 20.02.2017, Российская Федерация. «Программное обеспечение для расчета и моделирования теплофизических свойств материалов и конструкции термоэлектрических устройств на базе термоэлемента с составными ветвями» / Ефимов С.В., Штерн Ю.И., Рогачев М.С., Штерн М.Ю. Заявка №2016664592 от 28.12.2016.

Приложение А. Акты об использовании результатов диссертационной работы

УТВЕРЖДАЮ Проректор МИЭТ т.н., проф. Игнатова И.Г.

«_2£» титЯ&л 2018 г.

АКТ

об использовании в учебном процессе Национального исследовательского университета «МИЭТ» результатов диссертационной работы Рогачева М.С.

Настоящим подтверждается, что результаты диссертационной работы Рогачева М.С. на тему «Моделирование конструкций и разработка технологии многосекционных термоэлементов для эффективных термоэлектрических генераторов» использовались в учебном процессе МИЭТ при подготовке Учебно-методических комплексов для следующих дисциплин: «Полупроводниковые преобразователи энергии», «Конструирование и технология термоэлектрических приборов», «Материалы для полупроводниковых преобразователей энергии», «Термометрия. Методы и средства измерения и стабилизации температуры».

Зам. директора института «Перспективных материалов и технологий» образовательной деятельности, к.т.н.

Зам. директора института «Перспективных материало ~ по НД, к.т.н,

Дронов А.А.

Проф., д.т.н.