Русская верcия

Вход / Регистрация


˄
˅

Лаборатория
«Термоэлектрического материаловедения»


Руководитель: Степанов Николай Петрович,

доктор физико-математических наук, доцент

 

Контакты:
Телефон: (3022) 35-31-35, +7 924 371-06-03


Электронная почта:

npstepanov@zipsupc.ru, np-stepanov@mail.ru
Skype: zip_npstepanov


Лаборатория «Термоэлектрического материаловедения» создана в 2003 году с целью проведения исследований оптических, магнитных и гальваномагнитных исследований, направленных на создание высокоэффективных термоэлектрических материалов.

Лаборатория «Термоэлектрического материаловедения» ЗабГУ поддерживает  контакты с ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Институтом металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН,  СПбГПУ,  СПбГТУ им. Д. И. Менделеева (располагает   фурье-спектрометром (IFS 113 V  BRUKER)), Институтом физики металлов Уральского отделения РАН (располагает СКВИД магнетометром MPMS MultiVu),  РГПУ им. А.И. Герцена (располагает исследовательским оборудованием производства RTI «Криосистемы» (ФИАН), позволяющим производить комплекс гальваномагнитных и термоэлектрических измерений). Лаборатория поддерживает контакты и с сертифицированной лабораторией всемирно известной фирмы SGS www.sgs.com, которая на коммерческой основе занимается исследованием физико-химических характеристик материалов природного и искусственного происхождения.

Работа лаборатории ориентирована на проведение фундаментальных и прикладных исследований физико-химических свойств полупроводниковых материалов с целью создания эффективных термоэлектрических преобразователей энергии.
Одним из подходов, реализуемых в лаборатории, является исследование влияния взаимодействия элементарных возбуждений электронной и ионной систем на физические свойства полупроводников и полуметаллов, являющихся основным сырьем для изготовления термоэлектриков. В ходе исследований основное внимание уделяется исследованию эффектов, сопровождающих электрон-плазмонное взаимодействие, что обусловлено возможностью использования его влияния на процессы переноса в электронном газе, играющие основополагающую роль в термоэлектрических явлениях.
Необходимо отметить, что указанное направление возникло в рамках физической школы полуметаллов и узкозонных полупроводников, у истоков которой стоял ведущий ученый АН СССР доктор физико-математических наук, профессор Анатолий Робертович Регель, работавший на кафедре общей физики Ленинградского государственного педагогического института с 1947 г. по 1960 г. Дело А. Р. Регеля продолжил доктор физико-математических наук, профессор, академик Международной Термоэлектрической Академии Г. А. Иванов, возглавлявший кафедру физики РГПУ им. А.И. Герцена с 1961 по 1991г. Он внес определяющий вклад в развитие научной школы по физике полуметаллов и узкозонных полупроводников, подготовил более 60 кандидатов и 6 докторов физико-математических наук. Его ученик, заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор физико-математических наук, профессор В.М. Грабов, обнаружил ряд новых физических явлений, организовал исследование неравновесных процессов переноса и установил новые фундаментальные физические закономерности. Им подготовлено 20 кандидатов и 3 доктора физико-математических наук.
В конце двадцатого века, в рамках указанной научной школы, возникло новое направление исследований, связанное с изучением влияния электрон-плазмонного и плазмон-фононного и взаимодействий на физические свойства материалов, которое возглавил доктор физико-математических наук, профессор Н.П. Степанов. Организованная им лаборатория «Термоэлектрического материаловедения» образована на базе научно-исследовательской лаборатории по физике полупроводников и магнитных явлений. В настоящее время лаборатория «Термоэлектрического материаловедения» занимается проведением как фундаментальных, так и прикладных исследований.

В области фундаментальных исследований изучается:

  1. Влияние плазменных эффектов, обусловленных свободными носителями заряда на физические свойства термоэлектриков.
  2. Сущность физических процессов, протекающих в анизотропных термоэлектрических элементах на основе висмута, обладающих низкой инерционностью и высокой чувствительность.
  3. Влияние электрон-плазмонного взаимодействия на физические свойства широкого класса высоколегированных полупроводников, таких, как соединения A3B5, теллурида висмута Bi2Te3.

В области прикладных исследований производится:

  1. Исследование магнитной восприимчивости и спектральных характеристик термоэлектрических материалов на основе кристаллов висмут-сурьма и кристаллов теллурида висмута в зависимости от количества и типа легирующей примеси, а также температуры.
  2. Исследование зависимости величины коэффициентов электро- и теплопереноса в легированных кристаллах полупроводников.
  3. Определение химического состава кристаллов, обладающих максимальной термоэлектрической эффективностью.

Конечной целью проводимых исследований является создание наукоемких технологий производства термоэлектрических материалов и приборов на их основе.
На базе лаборатории «Термоэлектрического материаловедения» открыта аспирантура по специальности 01.04.07 - «Физика конденсированного состояния», выполняется большое количество дипломных и курсовых работ исследовательского характера. Все это позволяет производить подготовку высококвалифицированных специалистов в области полупроводниковой электроники.
В настоящее время лаборатория «Термоэлектрического материаловедения» поддерживает интенсивные контакты с ФТИ РАН им. А.Ф. Иоффе, Институтом металлургии и материаловедения РАН им. А.А. Байкова, СПбГТУ, Институтом физики металлов Уро АН, РГПУ им. А.И. Герцена, что обеспечивает высокий уровень проведения научных исследований, результаты которых систематически публикуются в ведущих периодических изданиях, как в России, так и за рубежом.

Экспериментальная база лаборатории термоэлектрического материаловедения

Экспериментальная база лаборатории представлена:

  1. Вибрационным магнетометром;
  2. Установкой для изучения магнитных свойств, работающей по методу Фарадея;
  3. Установкой для создания импульсных магнитных полей;
  4. Установкой для исследования гальваномагнитных явлений;
  5. Инфракрасными спектрометрами;
  6. Установкой для определения теплоемкости кристаллов полупроводниковых материалов;
  7. Установкой для исследования термоэлектрических явлений;
  8. Установкой для исследования комбинационного рассеяния света.

Гальваномагнитные исследования

Установка для определения концентрации носителей заряда по величине Холловской разности потенциалов, возникающей в образце, помещенном в однородное магнитное поле, удельной электропроводности полупроводниковых пластин методом Ван-дер-Пау. Метод Ван-дер-Пау является четырехзондовым, получившим широкое распространение в лабораторной и производственной практике, благодаря универсальности, обеспечивающейся возможностью измерения удельной электропроводности на объемных образцах, слитках и даже на пленках, включая слоистые структуры. В отличие от двухзондового метода, применяющегося для измерения удельной электропроводности образцов, имеющих правильную геометрическую форму, этот метод позволяет измерить электропроводность в ограниченной области образца, распределение ее вдоль слитка и ее анизотропию.
На установке можно определить величину теплопроводности термоэлектрических материалов в широком температурном интервале. Установка включат в себя комплекс аппаратуры с цифровыми и аналоговыми электроизмерительными приборами, а также мощный электромагнит, укомплектованный различными полюсными наконечниками, что позволяет изменять конфигурацию использующегося магнитного поля.


Измерение теплоемкости термоэлектрических материалов

Установка для исследования теплоемкости полупроводниковых материалов калориметрическим методом включает в себя малогабаритный, быстродействующий калориметр на анизотропных термоэлементах, не имеющий аналогов в мире. Калориметр создан на кафедре общей и экспериментальной физики Российского государственного педагогического университета (г. Санкт-Петербург), с которой лаборатория термоэлектрического материаловедения проводит комплекс совместных исследований. Действие калориметра основано на определении интегральной мощности теплового потока, проходящего через стенки прибора, образованные анизотропными термоэлектрическими элементами, позволяющими получить выходной сигнал высокой амплитуды. В комплекс аппаратуры входит система сбора и обработки информации, основу которой составляет электронно-вычислительная машина, в автоматическом режиме проводящая измерение величины теплоемкости.


Оптические исследования

Исследование оптических свойств полупроводниковых материалов позволяет установить важнейшие параметры энергетического спектра, диэлектрические константы, определить резонансные частоты в электронном, плазмонном и фононном спектрах. Исследования проводятся совместно с лабораторией «Спектроскопии высокого разрешения» Санкт-Петербургского технологического университета (института) с использованием приборов производства ЛОМО (Ленинградского оптико-механического объединения), и спектрофотометров фирмы BRUKER, позволяющих производить измерения в поляризованном излучении в диапазоне от 300 до 1 мкм в интервале температур от 8 до 300 К коэффициентов отражения и пропускания различных химических соединений.


Магнитные исследования

В лаборатории термоэлектрического материаловедения используется установка для измерения намагниченности образцов малых размеров, основу которой составляют маятниковые весы Доменикали. Принцип действия магнитных весов основан на компенсации силы действующей на образец, помещенный в неоднородное магнитное поле. Конфигурация неоднородного поля создается за счет выбора полюсных наконечников электромагнита с различными диаметрами. Такая методика измерения намагниченности позволяет в конечном итоге определить магнитную восприимчивость кристаллов полуметаллов и полупроводников использующихся для создания термоэлектрических преобразователей энергии. Измерение величины магнитной восприимчивости и исследование закономерностей ее изменения в зависимости от химического состава кристалла и его температуры позволяют детализировать картину энергетического спектра, что необходимо для изучения влияния взаимодействия элементарных возбуждений электронной и ионной системы на величину термоэлектрической эффективности полупроводникового материала.

Технологическое и опытно-конструкторское направление работы лаборатории термоэлектрического материаловедения

Термоэлектрические преобразователи энергии

Создание высокоэффективных термоэлектрических преобразователей энергии является одной из актуальных технических задач. Фундаментальные и прикладные исследования, направленные на её решение, ведутся как в университетских лабораториях, так и в исследовательских центрах фирм занимающихся производством электроники, автоматики и другой высокотехнологичной продукции. Работы ведутся в различных направлениях, начиная от исследования термоэлектрических свойств гетероструктур и заканчивая созданием термоэлектрических приборов, которые находят все более широкое применение в быту, на транспорте, в энергетике. Применение термоэлектрических преобразователей энергии связано с генерацией электрического тока, использованием в холодильниках, кондиционерах, регуляторах температуры, осушителях и т.п. В мире наблюдается непрерывный рост интереса к термоэлектрическим устройствам. Постоянно наращиваются объемы выпускаемых термоэлементов и приборов на их основе. Это обусловлено тем, что существуют направления, в которых преимущества термоэлектрических способов преобразования энергии являются неоспоримыми. В первую очередь - это электропитание автоматов, использующихся для исследования дальнего космоса, автономные устройства сейсмической разведки, обустройство катодной защиты нефте - и газопроводов. На мировом рынке постоянно растет спрос на термоэлектрические материалы и термоэлектрические преобразователи различного назначения.

В связи с этим в лаборатории термоэлектрического материаловедения проводятся экспериментальные и прикладные исследования в следующих направлениях:

  1. Исследование закономерностей изменения магнитной восприимчивости термоэлектрических материалов на основе висмута, сурьмы и теллура в зависимости от количества и типа легирующей примеси с целью определения химического состава кристаллов с аномалиями в величине ряда физических величин, обусловленных интенсивным электрон-плазмонным взаимодействием.
  2. Исследование зависимости величины коэффициентов электро - и теплопереноса в легированных кристаллах полупроводников.
  3. Определение химического состава кристаллов, обладающих максимальной термоэлектрической эффективностью.
  4. Создание опытных образцов термоэлектрических преобразователей энергии для широкого диапазона температур.
  5. Определение оптимальных условий процесса выращивания кристаллов термоэлектрических материалов, на основе полуметаллов висмута, сурьмы и их сплавов методом зонной плавки.
  6. Изучение влияния взаимодействия элементарных возбуждений электронной и ионной системы кристалла на величину термоэлектрической эффективности материала.
  7. Определение факторов влияния на характеристики электронной системы кристалла, способствующих координации потоков тепловой и электрической энергии.
  8. Исследование влияния электрон-плазмонного взаимодействия на физические свойства широкого класса высоколегированных полупроводников, таких, как соединения A3B5, A2B6 , Bi2Te3 и др.

На ниже приведенных слайдах продемонстрированы различные звенья технологической цепи ведущей от изготовления монокристаллов из исходного сырья, через создание термоэлектрических элементов и модулей на их основе, к изготовлению полупроводникового прибора. Основу технологической программы образует комплекс фундаментальных физико-химических исследований полуметаллов и узкозонных полупроводников.

Монокристаллы висмута , выращенные методом зонной перекристаллизации. скол по плоскости (111)Монокристаллы термоэлектриков n И P типа, подготовленные для монтажа термоэлектрических элементов
Термоэлектрические элементы на основе висмута и сурьмы



Термоэлектрический модуль из восьми термоэлементовТермоэлектрический модуль из четырех термоэлементов
Установка термоэлектрического модуля на прибор



Основные результаты исследований сотрудников лаборатории отражены в следующих статьях, опубликованных в журналах индексируемых в международных информационных базах Web of Science и Scopus:

  1. Степанов Н.П., Грабов В.М., Вольф Б.Г. Влияние межзонных переходов на затухание плазменных колебаний в сплавах висмут-сурьма // ФТП. – 1989. – Т. 23. – № 7. – С. 1312–1314.
  2. Грабов В.М., Степанов Н.П., Вольф Б.Е., Мальцев А.С. Диэлектрическая функция сплавов висмут-сурьма в дальней ИК-области // Оптика и спектроскопия. – 1990. – Т. 69. – № 1. – С. 134 –138.
  3. Грабов В.М., Кудачин В.В., Мальцев А.С., Степанов Н.П. Диэлектрическая проницаемость висмута и сплавов Bi1-xSbx, легированных донорными и акцепторными примесями // Известия высших учебных заведений. Физика. – 1990. – № 3.– С. 76 –79.
  4. Степанов Н.П., Грабов В.М. Влияние плазмон-фононного взаимодействия на оптические свойства висмута // Оптика и спектроскопия. – 1998. – Т. 84. – № 4. – С. 581–583.
  5. Грабов В.М., Степанов Н.П. Особенности спектров отражения легированных кристаллов висмут-сурьма в длинноволновой инфракрасной области спектра // ФТП. – 2001. – Т. 35. – № 2. – С. 155 –158.
  6. Грабов В.М., Степанов Н.П. Температурная зависимость спектров плазменного отражения кристаллов висмут-сурьма // ФТП. – 2001. – Т. 35. – № 6. – С. 734 –738.
  7. Степанов Н.П., Грабов В.М. Оптические эффекты, обусловленные совпадением энергии плазменных колебаний и межзонного перехода в легированных акцепторной примесью кристаллах висмута // Оптика и спектроскопия. – 2002. – Т. 92. – № 5. – С. 794 –798.
  8. Степанов Н.П., Грабов В.М. Электрон-плазмонное взаимодействие в легированных акцепторной примесью кристаллах висмута // ФТП. – 2002. – Т. 36. – № 9. – С. 1045 -1048.
  9. Степанов Н.П. Оптические свойства висмута, обусловленные электрон-плазмонным взаимодействием // Оптический журнал. – 2003. – Т. 70. – № 3. – С. 14 -16.
  10. Степанов Н.П., Грабов В.М. Влияние электрон-плазмонного взаимодействия на релаксационные процессы в кристаллах висмута и сплавов висмут-сурьма // ФТТ. – 2003. – Т. 45. – № 9. – С. 1537 -1541.
  11. Степанов Н.П. Электрон-плазмонное взаимодействие в висмуте, легированном акцепторной примесью // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2004. – №3. – С.33 – 42.
  12. Степанов Н.П. Плазмон-фонон-поляритоны в легированных акцепторной примесью кристаллах висмут-сурьма // ФТП. – 2004. – Т.38. – №5. – С. 552 – 555.
  13. Степанов Н.П. Электрон-плазмонное взаимодействие и аномалии в поведении физических свойств кристаллов легированных полупроводников. IX Межгосударственный семинар «Термоэлектрики и их применения». СПб: Изд-во ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2005. – С.78 -82.
  14. Н.П. Степанов, С.А. Немов, М.К. Житинская. Оптические свойства легированных кристаллов теллурида висмута в области плазменных эффектов. ФТП, 2007, Т. 41. В. 7. С. 808 – 811.
  15. Магнитная восприимчивость твердых растворов Bi2Te3 - Sb2Te3 // Н.П. Степанов Гильфанов А.К., Иванова Л.Д., Гранаткина Ю.В. . Физика и техника полупроводников, 2008, Т. 42. В. 4. С. 410– 414.
  16. Особенности спектров отражения монокристаллов твердых растворов Bi2Te3 - Sb2Te3 в области плазменных эффектов // Н.П. Степанов, А.А. Калашников. Физика и техника полупроводников. 2010, Т. 44, В. 9. С. 1165-1169.
  17. Оптические функции кристаллов твердых растворов Bi2Te3-Sb2Te3 в области возбуждения плазмонов и межзонных переходов // Н.П. Степанов, А.А. Калашников, Ю.В. Улашкевич. Оптика и спектроскопия, 2010, том 109, №6, с. 1138-1143.
  18. Анизотропия плазменного отражения твердых растворов (Bi2-х Sbх) Te3 (0<х<1) в диапазоне температур от 78 до 293 К // Н.П. Степанов, А.А. Калашников, А.К. Гильфанов, В.М. Грабов, Ю.В. Улашкевич, Л.Д. Иванова, Ю.В. Гранаткина. Оптика и спектроскопия, 2011, том 111, №6, с. 967-973.
  19. Магнитная восприимчивость твердых растворов (Bi2-х Sbх) Te3 (0<х<1) в диапазоне температур от 2 до 50 К // Н.П. Степанов*, В.Ю. Наливкин**, Г.А. Потапов. Физика и техника полупроводников. 2012, Т. 46, В. 1. С. 24-31.
  20. Магнитная восприимчивость твердых растворов (Bi2-х Sbх) Te3 (0<х<1) в диапазоне температур от 2 до 400 К // Н.П. Степанов, В.Ю. Наливкин Л.Д. Иванова, Ю.В. Гранаткина. Неорганические материалы. 2012, Т. 48, В. 2. С. 1-5.
  21. Н.П. Степанов, В.Ю. Наливкин, А.К. Гильфанов. Природа диамагнитного максимума в температурных зависимостях магнитной восприимчивости кристаллов твердых растворов (Bi2-х Sbх) Te3 (0<х<1) // Физика и техника полупроводников. – 2012 – Т. 46 – В. 8. – С. 1004-1011.
  22. Степанов Н.П. , Наливкин В.Ю. Магнитная восприимчивость кристаллов твердых растворов Bi2-ХSbХTe3 (0<Х<1) в области собственной проводимости. Физика и техника полупроводников. 2014. Т. 48, В. 3. С.297 – 301.
  23. Степанов Н.П., А.А. Калашников, Ю.В. Улашкевич. Плазменная экранировка края фундаментального поглощения в кристаллах твердых растворов Bi2Te3-Sb2Te3, содержащих более 80 молярных процентов Sb2Te3. Оптика и спектроскопия. 2014. Т.117, №3, с. 415 -419.
  24. Степанов Н.П., Наливкин В.Ю. Закономерности изменения температурных зависимостей магнитной восприимчивости кристаллов твердых растворов Bi2-xSbxTe3 (0 < x ≤ 1) в интервале от 2 до 400 К. Неорганические материалы. 2015. Т.48, №3, с.297 – 301