radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2019-22-6-37-44radioelectronics-387Research ArticleКВАНТОВАЯ, ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ, ПЛАЗМЕННАЯ И ВАКУУМНАЯ ЭЛЕКТРОНИКАQUANTUM, SOLID-STATE, PLASMA AND VACUUM ELECTRONICSИсследования термовольтаического эффекта в полупроводниках в среднетемпературном интервалеStudies of the Thermovoltaic Effect in Semiconductors in the Medium Temperature RangeКаминскийВ. В.KaminskiyVladimir V.

Каминский Владимир Васильевич - доктор технических наук (1991), главный науч. сотрудник, заведующий лабораторией.

Политехническая ул., 26, Санкт-Петербург, 194021

Dr. Sci. (Eng.) (1991), Chief Researcher.

https://orcid.org/0000-0002-5206-1732СоловьевС. М.Solov'evSergey M.

Соловьев Сергей Михайлович - кандидат физико-математических наук (2007), старший научный сотрудник.

Политехническая ул., 26, Санкт-Петербург, 194021, Россия

Cand. Sci. (Phys.-Math.) (2007), Senior Researcher.

serge.soloviev@mail.ioffe.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6471-6233ШаренковаН. В.SharenkovaNatalia V.

Шаренкова Наталия Викторовна - кандидат физико-математических наук (2010), старший научный сотрудник.

Политехническая ул., 26, Санкт-Петербург, 194021

Cand. Sci. (Phys.-Math.) (2010), Senior Researcher.

Klnatasha.sharenkova@maiLioffe.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5309-8476КазанинМ. М.KazaninMikhail M.

Казанин Михаил Михайлович - кандидат физико-математических наук, (1988), старший научный сотрудник.

Cand. Sci. (Phys.-Math.) (1988), Senior Researcher.

26 Politekhnicheskaya, St Petersburg 194021

Kazanin45@mail.ioffe.ruСудакН. М.SudakNikolay M.

Судак Николай Максимович - заместитель директора института СФТИ (г. Сухум), главный конструктор ООО "ЭРА-СФТИ", начальник конструкторского бюро.

Пос. Агудзера, 384964, республика Абхазия

Deputy Director in Sukhumi Institute of Physics and Technology. chief designer.

sfti-sudak@mail.ruЗалдастанишвилиМ. И.ZaldastanishviliMerab I.

Залдастанишвили Мераб Иванович - заместитель начальника лаборатории термоэлектрического материаловедения.

Пос. Агудзера, 384964, республика Абхазия

Deputy Head of the Laboratory of Thermoelectric Materials Science.

Gulripsh Districts Agudzera 384964, Republic of Abkhazia

nano-it@mail.ruФТИ им. А.Ф. ИоффеРоссияIoffe InstituteRussian FederationЭРА-СФТИ, ОООРоссияERA-SFTI, LLCRussian Federation2019070120202263744Copyright © Каминский В.В., Соловьев С.М., Шаренкова Н.В., Казанин М.М., Судак Н.М., Залдастанишвили М.И., 20202020Каминский В.В., Соловьев С.М., Шаренкова Н.В., Казанин М.М., Судак Н.М., Залдастанишвили М.И.Kaminskiy V.V., Solov'ev S.M., Sharenkova N.V., Kazanin M.M., Sudak N.M., Zaldastanishvili M.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/387Введение

Введение. Преобразование тепловой энергии в электрическую является актуальной задачей. Обнаруженный в сульфиде самария (SmS) термовольтаический эффект (ТВЭ) позволяет решать ее с большим КПД по сравнению с классическими термоэлектрическими генераторами, работающими на основе классического эффекта Зеебека. ТВЭ в SmS проявляется в спонтанном появлении импульсов электрического напряжения 0.05 В в непрерывном режиме при температуре образца 470 К. Генерация ЭДС связывается с наличием градиента концентрации дефектных ионов Sm, находящихся в вакансиях подрешетки серы, и с переменной валентностью ионов самария (Sm2+® Sm3++e-). При нагреве образца до определенной температуры концентрация носителей заряда скачкообразно увеличивается. Поскольку в образце дефектные ионы самария расположены неупорядоченно, происходит перенос заряда из области образца с большей концентрацией дефектных ионов в зону с меньшей концентрацией. Таким образом, создается ЭДС в направлении градиента концентрации этих ионов. Обнаруженный впоследствии в ZnO, Ge, Si и некоторых сложных полупроводниках ТВЭ достигал лишь 0.01 В.

Цель работы

Цель работы. Решается проблема повышения генерируемого напряжения и рабочей температуры генерации при ТВЭ.

Методы и материалы

Методы и материалы. Методом синтеза из простых веществ получены исходные материалы, из которых созданы гетероструктуры типа сэндвич SmS/Sm1-хLnхS, где Ln = Eu, Yb. Кроме того, исследованы образцы на основе классического термоэлектрика PbTe с различной степенью легирования слоев, полученных спрессовыванием при высокой температуре в вакууме. На уникальной установке, исключающей градиенты температуры в образцах, проведены исследования ТВЭ.

Результаты

Результаты. Показано, что повышение значений ЭДС и рабочей температуры достигается за счет заглубления донорных уровней путем легирования. В легированных образцах на основе SmS наблюдается генерация ЭДС до 0.15 В в непрерывном режиме при T = 700 K. Обнаруженный в гетероструктуре на основе термоэлектрического полупроводника n-типа PbTe ТВЭ позволяет получить значение генерируемого напряжения около 0.06 В в среднетемпературном режиме.

Заключение

Заключение. Достигнутые результаты превосходят известные ранее и дают основание продолжать исследования с целью разработки полупроводниковых преобразователей, работающих на основе ТВЭ.

Introduction

Introduction. A conversion of thermal energy into electrical energy is an urgent task. The thermovoltaic effect (TVE) found in samarium sulfide (SmS ) makes it possible to solve a higher efficiency problem as compared with classical thermoelectric generators operating on the basis of the Seebeck effect. TVE in SmS, is manifested in an appearance of voltage pulses of 0.05 V in continuous mode when a sample is heated to 470 K. Generation of electromotive force (EMF) is associated with a presence of a concentration gradient of defective Sm ions in sulfur sublattice vacancies, with a change in their valence (Sm2+ ® Sm3++e-) and with electronic Mott transitions. TVE discovered subsequently in ZnO, Ge, Si, and in some complex semiconductors, reached only 0.01 V.

Aim

Aim. To increase the magnitude of the generated voltage and the operating temperature at TVE.

Methods and materials

Methods and materials. By the method of synthesis from simple substances, raw materials were obtained from which SmS/Sm1-xLnxS sandwich-type heterostructures were created, where Ln = Eu, Yb. In addition, samples based on a classical thermoelectric PbTe with different degrees of doping of the layers obtained by pressing at high temperature in a vacuum were investigated. On the unique equipment, excluding temperature gradients in samples, TVE was studied.

Results

Results. It was shown that an increase in the EMF value and in the operating temperature had been achieved due to the penetration of donor levels by doping. In doped samples on the basis of SmS, a generation of EMF up to 0.15 V was observed in continuous mode at T = 700 K. TVE detected in the n-type thermoelectric semiconductor heterostructure PbTe, make it possible to obtain the magnitude of the generated voltage of near 0.06 V in the medium temperature mode.

Conclusion

Conclusion. The achieved results exceed the previously known ones and give grounds to continue research with the aim of developing semiconductor converters operating on the basis of TVE.

термовольтаический эффектсульфид самариятеллурид свинцагетероструктурысреднетемпературный интервалthermovoltaic effectheterostructuressamarium sulfidelead telluridemedium temperature rangeРабота выполнена при поддержке РФФИ (проект 19-08-00576)ReferencesКаминский В. В., Соловьев С. М. Возникновение электродвижущей силы при изменении валентности ионов самария в процессе фазового перехода в монокристаллах SmS // Физика твердого тела. 2001. Т. 43. Вып. 3. С. 423-426. URL: http://www.ioffe.rssi.ru/journals/ftt/2001/03/p423-426.pdf (дата обращения 15.12.2019)Kaminskii V. V., Solov'ev S. M. The Emergence of an Electromotive Force with a Change in the Valency of Samarium Ions During the Phase Transition in SmS Single Crystals. Semiconductors/Physics of the Solid State. 2001, vol. 43, iss. 3, pp. 423-426. Available at: http://www.ioffe.rssi.ru/journals/ftt/2001/03/p423-426.pdf (accessed 15.12.2019) (In Russ.)Грошев И., Полухин И. Сульфид самария и новейшие разработки на его основе // Компоненты и технологии. 2014. № 8. С. 150-157. URL: https://www.kit-e.ru/articles/device/2014_8_150.php (дата обращения 19.12.2019)Groshev I., Polukhin I. Samarium Sulfide and the Latest Developments on its Basis. Components & Technologies. 2014, no. 8, pp. 150-157. Available at: https://www.kit-e.ru/articles/device/2014_8_150.php (accessed 19.12.2019) (In Russ.)Особенности получения тонких пленок для термопреобразователей на основе SmS / В. И. Стре-лов, Е. Б. Баскаков, Ю. Н. Бендрышев, В. М. Каневский // Кристаллография. 2019. Т. 64, № 2. С. 281-284. doi: 10.1134/S0023476119020292Strelov V. I., Baskakov E. B., Bendryshev Yu. N., Kanevskii V. M. Features of Obtaining Thin Films for Thermal Converters Based on SmS. Kristallografiya [Crystallography]. 2019, vol. 64, no. 2, pp. 281-284. doi: 10.1134/S0023476119020292 (In Russ.)Гетероструктура SmS/SiC и термовольтаичес-кий эффект в ней / В. В. Каминский, А. О. Лебедев, С. М. Соловьев, Н. В. Шаренкова // ЖТФ. 2019. Т. 89. Вып. 2. С. 212-213. doi: 10.21883/JTF.2019.02.47072.225-18Kaminskii V. V., Lebedev A. O., Solov'ev S. M., Sharenkova N. V. SmS/SiC Heterostructure and Its Associated Thermovoltaic Effect. Technical Physics. 2019, vol. 64, iss. 2, pp. 181-182. doi: 10.1134/S1063784219020075Калинин Ю. Е., Чуйко А. Г., Новиков Е. Г. Перспективы развития термоэлектрических и термо-вольтаических материалов // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2015. № 3. С. 28-39. URL: https://www.isjaee.com/jour/article/view/12 (дата обращения 19.12.2019)Kalinin Yu. E., Chuiko A. G., Novikov E. G. Prospects of Development of Thermoelectric and Thermovoltaic Materials. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2015, no. 3, pp. 28-39. Available at: https://www.isjaee.com/jour/article/view/12 (accessed 19.12.2019) (In Russ.)Development of a physical model of thermovoltaic effects in the thin films of zinc oxide doped with transition metals / I. Pronin, N. Yakushova, I. Averin, A. Karmanov, V. Moshnikov, D. Dimitrov // Coatings. 2018. Т. 8, № 12. С. 433(1-12). doi: 10.3390/coatings8120433Pronin I., Yakushova N., Averin I., Karmanov A., Moshnikov V., Dimitrov D. Development of a Physical Model of Thermovoltaic Effects in the Thin Films of Zinc Oxide Doped with Transition Metals. Coatings. 2018, vol. 8, no. 12, pp. 433(1-12). doi: 10.3390/coatings8120433Термовольтаический эффект в оксиде цинка, неоднородно легированном примесями с переменной валентностью / И. А. Пронин, И. А. Аверин, А. С. Божи-нова, А. Ц. Георгиева, Д. Ц. Димитров, А. А. Карманов, В. А. Мошников, К. И. Папазова, Е. И. Теруков, Н. Д. Яку-шова // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41. Вып. 19. С. 22-28 URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/42354 (дата обращения 15.12.2019)Pronin I. A., Averin I. A., Bozhinova A. S., Georgieva A. Ts., Dimitrov D. Ts., Karmanov A. A., Moshnikov V. A., Pa-pazova K. I., Terukov E. I., Yakushova N. D. Thermovoltaic Effect in Zinc Oxide Inhomogeneously Doped with Variable Valence Impurities. Pis'ma v ZhTF [Letters to the Journal of Technical Physics]. 2015, vol. 41, iss. 19, pp. 22-28. Available at: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/42354 (accessed 15.12.2019) (In Russ.)Новый тип газовых сенсоров на основе термо-вольтаического эффекта в оксиде цинка, неоднородно легированном примесями переменной валентности / И. А. Пронин, Н. Д. Якушова, Д. Ц. Димитров, Л. К. Крас-тева, К. И. Папазова, А. А. Карманов, И. А. Аверин, А. Ц. Георгиева, В. А. Мошников, Е. И. Теруков // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43, № 18. С. 11 -16. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/45028 (дата обращения 15.12.2019)Pronin I. A., Yakushova N. D., Dimitrov D. Ts., Krasteva L. K., Papazova K. I., Karmanov A. A., Averin I. A., Georgieva A. Ts., Moshnikov V. A., Terukov E. I. A New Type of Gas Sensors Based on the Thermovoltaic Effect in Zinc Oxide Inhomogeneously Doped with Variable Valence Impurities. Pis'ma v ZhTF [Letters to the Journal of Technical Physics]. 2017, vol. 43, iss. 18, pp. 11-16. doi: 10.21883/PJTF.2017.18.45028.16754 (In Russ.)Тепловольтаический эффект pSi-n(Si2)1-x(ZnS)x структур / Н. С. Саидов, А. С. Саидов, Ш. Н. Усмонов, К. А. Амо-нов // Гелиотехника. 2009. № 4. С. 102-104. URL: http://geliotekhnika.uz/ru/articles/572 (дата обращения 15.12.2019)Saidov N. S., Saidov A. S., Usmonov Sh. N., Amon-ov K. A. Thermovoltaic Effect of pSi-n(Si2)1-x(ZnS)x Structures. Geliotekhnika. 2009, no. 4, pp. 102-104. Available at: http://geliotekhnika.uz/ru/articles/572 (accessed15.12.2019) (In Russ.)Саидов А. С., Лейдерман А. Ю., Каршиев А. Б. Термовольтаический эффект в варизонном твердом растворе Si1-xGex (0< х< 1) // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42. Вып. 14. С. 21-27. URL: http://journals.ioffe.ru/artides/viewPDF/43410 (дата обращения 15.12.2019).Saidov A. S., Leiderman A. Yu., Karshiev A. B. Thermovoltaic Effect in a Graded-Gap Solid Solution Si1-xGex (0< x< 1). Pis'ma v ZhTF [Letters to the Journal of Technical Physics]. 2016, vol. 42, iss. 14, pp. 21-27. Available at: http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/43410 (accessed 15.12.2019). (In Russ.)Термовольтаические синергетические эффекты самоорганизации примесей и дефектов в полупроводниках типа АIIIВV / А. Ю. Лейдерман, У. Х. Рахмонов, А. С. Саидов, М. М. Хашаев // Альтернативная энергетика и экология. 2015. № 7. С. 55-69. doi: 10.15518/isjaee.2015.07.004Leyderman A. Yu., Saidov A. S., Khashaev M. M., Rahmonov U. K. Thermovoltaic Synergetic Effects of SelfOrganization of Impurities and Defects in Semiconductors of Type AIIIBV. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2015, no. 7, pp. 55-69. doi: 10.15518/isjaee.2015.07.004 (In Russ.)Каминский В. В., Голубков А. В., Васильев Л. Н. Дефектные ионы самария и эффект генерации электродвижущей силы в SmS // Физика твердого тела. 2002. Т. 44. Вып. 8. С. 1501-1505. URL: http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/39644 (дата обращения 15.12.2019)Kaminskii V. V., Golubkov A. V., Vasil'ev L. N. Defective Samarium Ions and the Effect of the Generation of an Electromotive Force in SmS. Semiconduc-tors/Physics of the Solid State. 2002, vol. 44, iss. 8, pp. 1501-1505. Available at: http://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/39644 (accessed 15.12.2019) (In Russ.)Hickey C. F., Gibson U. J. SmS phase transition in thin films prepared by reactive evaporation // Phase Transitions: A Multinational Journal. 1989. Vol. 14, iss. 1-4. P. 187-199. doi: 10.1080/01411598908208095Hickey C. F., Gibson U. J. SmS Phase Transition in Thin Films Prepared by Reactive Evaporation. Phase Transitions: A Multinational Journal. 1989, vol. 14, iss. 1-4, pp. 187-199. doi: 10.1080/01411598908208095Chemistry and Technology of Samarium Monosulfide / O. V. Andreev, V. V. Ivanov, A. V. Gorshkov, P. V. Mio-dushevskiy, P. O. Andreev // Eurasian Chemico-Tech-nological Journal. 2016. Vol. 18, № 1. P. 55-65. doi: 10.18321/ectj396Andreev O. V., Ivanov V. V., Gorshkov A. V., Mio-dushevskiy P. V., Andreev P. O. Chemistry and Technology of Samarium Monosulfide. Eurasian Chemico-Tech-nological Journal. 2016, vol. 18, no 1, pp. 55-65. doi: 10.18321/ectj396Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах. М.: Мир, 1982. 658 с.Mott N. F., Davis E. A. Electronic Processes in NonCrystalline Materials. Moscow, Mir, 1982, 658 p. (In Russ.)Миодушевский П. В., Андреев П. О., Высоких А. С. Фазовый состав поверхностного слоя образцов моносульфида самария // Вестник Омского ун-та. 2011. №4. С. 122-126.Miodushevskii P. V., Andreev P. O., Vysokikh A. S. Phase Composition of the Surface Layer of Samarium Monosulfide Samples. Herald of Omsk University, 2011, no. 4, pp. 122-126. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.