Концентраційні фазові переходи в полікристалічних твердих розчинах вісмут-сурма

20. Зависимость подвижности носителей заряда от концентрации сурьмы в твердых растворах висмут-сурьма / А.А. Дроздова, Е.И. Рогачева // Матеріали 7-ої Міжнародної конференції «Фізичні явища в твердих тілах». Харків. 2005. С. 106.

21. Anomalies in the isotherms of thermoelectric properties of Bi-Sb solid solutions / E.I. Rogacheva, A.A. Drozdova, M.S. Dresselhaus // Abstr. 25^th International Conference on Thermoelectrics. Wien, Austria. 2006. P. 83.

22. Effect of magnetic field on the galvanomagnetic properties of polycrystalline Bi-Sb solid solutions / A.A. Drozdova and E.I. Rogacheva // Abstr. 3^rd International Conference on Materials science and condensed matter physics. Chisinau, Moldova. 2006. P. 45.

23. Термоэлектрическая мощность твердых растворов висмут-сурьма / Д.С. Орлова, А.А. Дроздова, Е.И. Рогачева // Матеріали 8-ої Міжнародної міждисциплінарної науково-практичної школи-конференції «Сучасні проблеми науки та освіти», Алушта. 2007. С. 87.

24. Вплив магнітного поля на ізотерми коефіцієнта термо-е.р.с. твердих розчинів вісмут-сурма / Г.А. Дроздова, Д.С. Орлова, Е.И. Рогачева // Тези доповідей. Міжнародна конференція студентів та молодих науковців з теоретичної та експериментальної фізики «ЕВРИКА-2007», Львів. 2007. В36.

25. Изотермы коэффициента термо-э.д.с. в твердых растворах висмут-сурьма / А.А. Дроздова, Д.С. Орлова, Е.И. Рогачева // Тези доповідей. III Українська наукова конференція з фізики напівпровідників «УНКФП-3», Одеса. 2007. С. 194.

26. Влияние метода приготовления образцов на термоэлектрические и механические свойства твердых растворов Bi-Sb / А.А. Дроздова, Ю.В. Меньшов, Е.И. Рогачева // Тези доповідей. Третя Міжнародна науково-практична конференція МЕТІТ-3, Кременчук. 2008. С. 101-102.

27. Вплив магнітного поля на коефіцієнт Холла та магнітоопір кристалів Bi та твердих розчинів Bi-Sb / О.І. Кліменко, Г.А. Дроздова, О.І. Рогачова // Тези доповідей. XVI Міжнародна науково-практична конференція (“MicroCAD-2008”), Харків. 2008. С. 309.

28. Effect of magnetic field on galvanomagnetic properties of mica/Bi/EuS heterostructures / E.I. Rogacheva, S.G. Lyubchenko, A.A. Drozdova // Abstracts. 15^th International conference on Superlattices, Nanostructures and Nanodevices, Natal, Brazil. 2008. P. 139.

29. Transition into a gapless state and concentration anomalies in the properties of Bi_1-xSb_x solid solutions / E.I. Rogacheva, A.A. Drozdova, O.N. Nashchekina, M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus // Abstracts. Thermoelectric Transport: Progress in first principles and other approaches and interplay with experiment, Lausanne, Switzerland, 2009. P. 14.

30. Thermoelectric properties of the polycrystalline Bi-Sb solid solutions / E.I. Rogacheva, A.A. Drozdova, M.S. Dresselhaus // Abstracts. 28^th Int. Conf. on Thermoelectrics and 7 European Conf. on Thermoelectrics, Freiburg, Germany, 2009. P. 175.

АНОТАЦІЯ

Дроздова Г.А. Концентраційні фазові переходи в полікристалічних твердих розчинах Bi-Sb. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України. - м. Харків. - 2009.

В роботі проведено комплексне дослідження мікроструктури, кристалічної структури, механічних, акустичних, електрофізичних, гальваномагнітних і термоелектричних властивостей полікристалів твердих розчинів Bi-Sb в залежності від вмісту (0 - 20 ат.% Sb), температури (Т = 77 - 300 К), магнітного поля (В = 0.01 - 1 Тл), термічної обробки (часу відпалу) і технології виготовлення кристалів (литі або пресовані).

Одержано ряд нових цікавих ефектів: на ізотермах електропровідності, магнітоопору, коефіцієнта Холла, рухливості носіїв заряду, критичного магнітного поля, коефіцієнта Зеєбека, ТЕ потужності, мікротвердості, поздовжньої швидкості та лінійного коефіцієнта поглинання ультразвуку твердих розчинів Bi-Sb в інтервалах концентрацій 0.5 - 1.5, 2.5 - 3.5 і 6 - 8 ат.% Sb виявлено аномалії. Наявність аномалій пов'язується з критичними явищами, які супроводжують концентраційні ФП від розбавлених до концентрованих твердих розчинів, перехід у БЩС і перехід напівметал - напівпровідник, відповідно. Для твердих розчинів Bi-Sb із вмістом 2.5 ат.% Sb визначено аномальне збільшення параметрів кристалічної ґратки, яке супроводжується зменшенням ширини дифракційних ліній; для сплавів із вмістом 2.5 ат.% Sb на концентраційній залежності мікротвердості визначено ділянку сталості Н та зміну характеру залежності Н від величини навантаження на індентор. Це свідчить про те, що зміни в електронних властивостях для критичної області концентрацій супроводжуються аномаліями властивостей, які відповідають ґратковій підсистемі кристала, та підтверджують наявність ФП у БЩС. Припускається можливість процесів упорядкування атомів Sb при переході у БЩС.

Для полікристалічних твердих розчинів Bi-Sb в інтервалі концентрацій 0 - 15 ат.% Sb встановлено величину критичного магнітного поля В_С, що розділяє область слабких і сильних магнітних полів, що складає 0.1 - 0.2 Tл за Т = 300 К і 0.05 Tл за Т = 77 K.

Одержано, що характер температурних залежностей гальваномагнітних і термоелектричних властивостей полікристалів Bi-Sb закономірно змінюється із збільшенням вмісту Sb, що свідчить про поступовий перехід сплавів від напівметалевої до напівпровідникової провідності.

Встановлено, що термічна обробка, технологія виготовлення зразків, температура і магнітне поле не впливають на факт наявності аномалій властивостей і положення критичних складів. Показано, що застосування тривалого відпалу дозволяє підвищити значення ТЕ потужності і ТЕ добротності, тобто змінення реальної структури полікристалів твердих розчинів Bi-Sb - один з можливих шляхів оптимізації їх термоелектричних властивостей.

Ключові слова: твердий розчин вісмут-сурма, полікристал, механічні властивості, акустичні властивості, електрофізичні властивості, гальваномагнітні властивості, термоелектричні властивості, перколяції, безщілинний стан, перехід напівметал - напівпровідник.

SUMMARY

Drozdova A.A. Concentration phase transitions in polycrystalline bismuth-antimony solid solutions. - Manuscript.

Dissertation for Ph.D. degree of physics and mathematics sciences by speciality 01.04.07 - solid state physics. - Institute of Еlectrophysics & Radiation technologies NAS of Ukraine. - Kharkov. - 2009.

A complex study of microstructure, crystal structure, mechanical, acoustic, electrophysical, galvanomagnetic and thermoelectric properties of Bi-Sb polycrystalline solid solutions as function of Sb content (0 - 20 аt.% Sb), temperature (Т = 77 - 300 К), magnetic field (В = 0.01 - 1 Т), heat treatment (annealing time) and specimen preparation technique (by casting or by pressing) was carried out.

A number of new interesting effects were obtained: in the isotherms of electrical conductivity, magnetoresistance, Hall coefficient, charge carrier mobility, critical magnetic field, Seebeck coefficient, thermoelectric power factor, microhardness, longitudinal sound velocity and absorption coefficient of Bi-Sb solid solutions in the concentration ranges 0.5 - 1.5, 2.5 - 3.5 and 6 - 8 аt.% Sb anomalies were revealed. The presence of anomalies is attributed to critical phenomena accompanying concentration phase transitions from diluted to concentrated solid solutions, transition to a gapless state and semimetal - semiconductor transition, respectively. In Bi-Sb solid solutions with 2.5 at.% Sb an anomalous increase of unit-cell parameters accompanied by a decrease in the diffraction lines width was registered; in Bi-Sb alloys with 2.5 at.% Sb in the dependence of microhardness on Sb content a distinct plateau and change in the character of H dependences on the load on indentor were observed. It follows from the obtained data that the change in the electronic properties in the critical concentration region is accompanied by anomalies in the properties related to the lattice subsystem of the crystal and confirms the presence of phase transition to a gapless state. The possibility of Sb atoms ordering during this transition is suggested.

For Bi-Sb polycrystalline solid solutions in the concentration range of 0 - 15 аt.% Sb the critical magnetic field value В_С, separating regions of weak and strong magnetic fields, was obtained, at Т = 300 К the value of В_С corresponded to 0.1 - 0.2 T and at Т = 77 K - to 0.05 T.

It was established, that the behavior of temperature dependences of galvanomagnetic and thermoelectric properties regularly changed with increasing Sb concentration, which was connected with a gradual transition from a semimetallic to semiconducting conductivity.

It was established that the heat treatment, specimen preparation technique, temperature and magnetic field did not affect the presence of the concentration anomalies of properties and the positions of the critical compositions. It follows that the use of long annealing allowed to increase the value of TE power factor and figure of merit, that is, a change in actual structure of polycrystalline Bi-Sb solid solutions is one of possible ways for optimization of their thermoelectric properties.

Key words: bismuth-antimony solid solution, polycrystal, mechanical properties, acoustic properties, electrophysical properties, galvanomagnetic properties, thermoelectric properties, percolation, gapless state, semimetal - semiconductor transition.

АННОТАЦИЯ

Дроздова А.А. Концентрационные фазовые переходы в поликристаллических твердых растворах Bi-Sb. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт электрофизики и радиационных технологий НАН Украины. - г. Харьков. - 2009.

В работе проведено комплексное исследование микроструктуры, кристаллической структуры, механических, акустических, электрофизических, гальваномагнитных и термоэлектрических свойств поликристаллических твердых растворов Bi-Sb в зависимости от состава (0 - 20 ат.% Sb), температуры (Т = 77 - 300 К), магнитного поля (В = 0.01 - 1 Тл), термической обработки (время отжига) и технологии приготовления кристаллов (литые или прессованные кристаллы).

Для поликристаллических твердых растворов Bi-Sb на изотермах электропроводности, магнетосопротивления, коэффициента Холла, подвижности носителей заряда, критического магнитного поля, коэффициента Зеебека, ТЭ мощности, а также микротвердости, продольной скорости и линейного коэффициента поглощения ультразвука в интервалах концентраций 0.5-1.5, 2.5 - 3.5 и 6 - 8 ат.% Sb установлено присутствие аномалий, наличие которых связывается с критическими явлениями, сопровождающими концентрационные ФП от разбавленных к концентрированным твердым растворам, переход в БЩС и переход полуметалл - полупроводник, соответственно. Для сплавов при содержании 2.5 ат.% Sb обнаружено аномальное увеличение параметров кристаллической решетки, сопровождаемое уменьшением ширины дифракционных линий, а также изменение характера зависимости микротвердости от состава и от величины загрузки на индентор. Из полученных результатов следует, что изменение электронных свойств в критическом интервале концентраций сопровождается аномалиями свойств, определяемых решеточной подсистемой кристалла и подтверждает наличие ФП в БЩС. Высказано предположение о возможных процессах упорядочения атомов примеси сурьмы при фазовом переходе в БЩС.

Для поликристаллов Bi-Sb в интервале концентраций 0 - 15 ат.% Sb установлено величину критического магнитного поля В_С, разделяющего области слабых и сильных магнитных полей. При Т = 300 К величина В_С составляет 0.1 - 0.2 Тл, а при Т = 77 К - 0.05 Тл.

Показано, что характер температурных зависимостей гальваномагнитных и ТЭ свойств закономерно меняется при увеличении концентрации Sb в результате постепенного перехода от полуметаллической к полупроводниковой проводимости.

Установлено, что технология приготовления образцов, термическая обработка, температура и магнитное поле не влияют на факт наличия концентрационных аномалий свойств и положение критических точек. Показано, что применение длительного отжига позволяет повысить значения ТЭ мощности и ТЭ добротности, то есть изменение реальной структуры поликристаллических образцов твердых растворов Bi-Sb - один из возможных путей оптимизации их ТЭ свойств.

Ключевые слова: твердый раствор висмут-сурьма, поликристалл, механические свойства, акустические свойства, электрофизические свойства, гальваномагнитные свойства, термоэлектрические свойства, перколяция, бесщелевое состояние, переход полуметалл - полупроводник.

Размещено на Allbest.ru