Тепловые и термоэлектрические свойства керамики на основе оксида цинка, легированной железом

  • Алексей Владимирович Пашкевич Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Людмила Александровна Близнюк Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению, ул. Петруся Бровки, 19, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Александр Кириллович Федотов Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Владимир Васильевич Ховайло Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», пр. Ленинский, 4, 119049, г. Москва, Россия
  • Андрей Андреевич Харченко Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Вера Васильевна Федотова Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению, ул. Петруся Бровки, 19, 220072, г. Минск, Беларусь
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2022-3-56-67

Аннотация

Изучено влияние добавления оксидов железа FeO и Fe2O3 в соотношении 1 : 9 на тепловые и термоэлектрические характеристики керамики на основе оксида цинка ZnO. Исследуемые образцы были изготовлены в два этапа с использованием керамической технологии спекания порошковых смесей в открытой атмосфере. В ходе анализа теплопроводности выявлен преобладающий вклад решеточной теплопроводности при комнатной температуре. Установлено, что уменьшение теплопроводности в результате легирования обусловлено увеличением рассеяния фононов на введенных в решетку ZnO точечных дефектах (за счет замещения ионов цинка ионами железа)
и на границах зерен (за счет измельчения микроструктуры), а также ростом пористости (снижением плотности) и формированием частиц дополнительной фазы феррита ZnFe2O4. Отмечено, что легирование железом и сопутствующее ему изменение структуры керамики (уменьшение размеров зерен, возрастание пористости, выделение ферритной фазы) приводят к увеличению термоэлектрической добротности ZT в 2 раза (вследствие уменьшения удельного электросопротивления и теплопроводности при относительно небольшом снижении коэффициента
термоЭДС). Полученные результаты могут быть использованы для изготовления керамики на основе ZnO, обладающей оптимальными термоэлектрическими характеристиками.

Биографии авторов

Алексей Владимирович Пашкевич, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

младший научный сотрудник лаборатории физики перспективных материалов Института ядерных проблем БГУ, аспирант кафедры физики твердого тела физического факультета БГУ. Научный руководитель – А. А. Харченко

Людмила Александровна Близнюк, Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению, ул. Петруся Бровки, 19, 220072, г. Минск, Беларусь

заведующий лабораторией электронной керамики

Александр Кириллович Федотов, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; главный научный сотрудник лаборатории физики перспективных материалов

Владимир Васильевич Ховайло, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», пр. Ленинский, 4, 119049, г. Москва, Россия

доктор физико-математических наук; профессор кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов Института новых материалов и нанотехнологий

Андрей Андреевич Харченко, Институт ядерных проблем БГУ, ул. Бобруйская, 11, 220006, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; старший научный сотрудник лаборатории физики перспективных материалов

Вера Васильевна Федотова, Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению, ул. Петруся Бровки, 19, 220072, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник лаборатории неметаллических ферромагнетиков

Литература

  1. Ponja SD, Sathasivam S, Parkin IP, Carmalt CJ. Highly conductive and transparent gallium doped zinc oxide thin films via chemical vapor deposition. Scientific Reports. 2020;10:638. DOI: 10.1038/s41598-020-57532-7.
  2. Lee Yu-Ping, Lin Chieh-Chuan, Hsiao Chih-Chung, Chou Po-An, Cheng Yao-Yi, Hsieh Chih-Chen, et al. Nanopiezoelectric devices for energy generation based on ZnO nanorods / flexible-conjugated copolymer hybrids using all wet-coating processes. Micromachines. 2020;11(1):14. DOI: 10.3390/mi11010014.
  3. Bernik S, Daneu N. Characteristics of SnO2-doped ZnO-based varistor ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 2001;21(10–11):1879–1882. DOI: 10.1016/S0955-2219(01)00135-2.
  4. Wu X, Lee J, Varshney V, Wohlwend JL, Roy AK, Luo T. Thermal conductivity of wurtzite zinc-oxide from first-principles lattice dynamics – a comparative study with gallium nitride. Scientific Reports. 2016;6:22504. DOI: 10.1038/srep22504.
  5. Levinson LM, Hirano S, editors. Grain boundaries and interfacial phenomena in electronic ceramics. Westerville: The American Ceramic Society; 1994. IX, 390 p. (Ceramic transactions; volume 41).
  6. Sawalha A, Abu-Abdeen M, Sedky A. Electrical conductivity study in pure and doped ZnO ceramic system. Physica B: Condensed Matter. 2009;404(8–11):1316–1320. DOI: 10.1016/j.physb.2008.12.017.
  7. Winarski D. Synthesis and characterization of transparent conductive zinc oxide thin films by sol-gel spin coating method [master’s thesis]. Bowling Green: Graduate College of Bowling Green State University; 2015. XII, 87 p.
  8. Chen Haoxian, Zheng Liaoying, Zeng Jiangtao, Li Guorong. Effect of Sr doping on nonlinear current-voltage properties of ZnO-based ceramics. Journal of Electronic Materials. 2021;50(7):4096–4103. DOI: 10.1007/s11664-021-08960-2.
  9. Li Jiaqi, Yang Shuaijun, Pu Yong, Zhu Dachuan. Effects of pre-calcination and sintering temperature on the microstructure and electrical properties of ZnO-based varistor ceramics. Materials Science in Semiconductor Processing. 2021;123:105529. DOI: 10.1016/j.mssp.2020.105529.
  10. Mohammed MA, Sudin I, Noor AM, Rajoo S, Uday MB, Obayes NH, et al. A review of thermoelectric ZnO nanostructured ceramics for energy recovery. International Journal of Engineering & Technology. 2018;7(2.29):27–30. DOI: 10.14419/IJET.V7I2.29.13120.
  11. Colder H, Guilmeau E, Harnois C, Marinel S, Retoux R, Savary E. Preparation of Ni-doped ZnO ceramics for thermoelectric applications. Journal of the European Ceramic Society. 2011;31(15):2957–2963. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2011.07.006.
  12. Jeong A, Suekuni K, Ohtaki M, Jang B-K. Thermoelectric properties of In- and Ga-doped spark plasma sintered ZnO ceramics. Ceramics International. 2021;47(17):23927–23934. DOI: 10.1016/j.ceramint.2021.05.101.
  13. Liang Xin. Thermoelectric transport properties of naturally nanostructured Ga – ZnO ceramics: effect of point defect and interfaces. Journal of the European Ceramic Society. 2016;36(7):1643–1650. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2016.02.017.
  14. Liang Xin. Thermoelectric transport properties of Fe-enriched ZnO with high-temperature nanostructure refinement. ACS Applied Materials & Interfaces. 2015;7(15):7927–7937. DOI: 10.1021/am509050a.
  15. Walia S, Balendhran S, Nili H, Zhuiykov S, Rosengarten G, Wang QH, et al. Transition metal oxides – thermoelectric properties. Progress in Materials Science. 2013;58(8):1443–1489. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2013.06.003.
  16. Li Pengfei, Zhang Hong, Gao Caiyun, Jiang Guoxiang, Li Zhicheng. Electrical property of Al/La/Cu modified ZnO-based negative temperature coefficient (NTC) ceramics with high ageing stability. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 2019;30(21):19598–19608. DOI: 10.1007/s10854-019-02333-6.
  17. Quarta A, Novais RM, Bettini S, Iafisco M, Pullar RC, Piccirillo C. A sustainable multi-function biomorphic material for pollution remediation or UV absorption: aerosol assisted preparation of highly porous ZnO-based materials from cork templates. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2019;7(2):102936. DOI: 10.1016/j.jece.2019.102936.
  18. Sun Qianying, Li Guorong, Tian Tian, Zeng Jiangtao, Zhao Kunyu, Zheng Liaoying, et al. Co-doping effects of (Al, Ti, Mg) on the microstructure and electrical behavior of ZnO-based ceramics. Journal of the American Ceramic Society. 2020;103(5):3194–3204. DOI: 10.1111/jace.16999.
  19. Vu Doanh Viet, Le Dang Hai, Nguyen Chien Xuan, Trinh Thong Quang. Comparison of structural and electric properties of ZnO-based n-type thin films with different dopants for thermoelectric applications. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2019;91(1):146–153. DOI: 10.1007/s10971-019-05024-0.
  20. Pashkevich AV, Fedotov AK, Poddenezhny EN, Bliznyuk LA, Fedotova JA, Basov NA, et al. Structure, electric and thermoelectric properties of binary ZnO-based ceramics doped with Fe and Co. Journal of Alloys and Compounds. 2022;895(part 2):162621. DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.162621.
  21. Wu Zi-Hua, Xie Hua-Qing, Zhai Yong-Biao. Preparation and thermoelectric properties of Co-doped ZnO synthesized by sol-gel. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2015;15(4):3147–3150. DOI: 10.1166/jnn.2015.9658.
  22. Chiba D, Shibata N, Tsukazaki A. Co thin films deposited directly on ZnO polar surfaces. Scientific Reports. 2016;6:38005. DOI: 10.1038/srep38005.
  23. Krzhizhanovskaya MG, Firsova VA, Bubnova RS. Primenenie metoda Ritvel’da dlya resheniya zadach poroshkovoi difraktometrii [Application of the Rietveld method for solving problems of powder diffractometry]. Saint Petersburg: Saint Petersburg State University; 2016. 67 p. Russian.
  24. Zeer GM, Fomenko OYu, Ledyaeva ON. Application of scanning electron microscopy in material science. Journal of Siberian Federal University. Chemistry. 2009;2(4):287–293. Russian.
  25. Bosi F, Biagioni C, Pasero M. Nomenclature and classification of the spinel supergroup. European Journal of Mineralogy. 2019;31(1):183–192. DOI: 10.1127/ejm/2019/0031-2788.
  26. Bagaev SN, Borisevich NA, Martynovich EF, editors. Sbornik trudov IX Mezhdunarodnoi shkoly-seminara po lyuminestsentsii i lazernoi fizike; 13–17 sentyabrya 2004 g.; Irkutsk, Rossiya [Proceedings of the 9th International school-seminar on luminescence and laser physics; 2004 September 13–17; Irkutsk, Russia]. Irkutsk: Publishing House of the Irkutsk State University; 2005. 299 p. Russian.
  27. Chernyshova E, Serhiienko I, Kolesnikov E, Voronin A, Zheleznyy M, Fedotov A, et al. Influence of NiO nanoparticles on the thermoelectric properties of (ZnO)1 – x(NiO)x composites. Nanobiotechnology Reports. 2021;16(3):381–386. DOI: 10.1134/S2635167621030034.
  28. Zhu Beibei, Chen Cong, Yao Zhichao, Chen Jiayi, Jia Chuang, Wang Zhehan, et al. Multiple doped ZnO with enhanced thermoelectric properties. Journal of the European Ceramic Society. 2021;41(7):4182–4188. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.01.054.
  29. Adun H, Kavaz D, Wole-Osho I, Dagbasi M. Synthesis of Fe3O4 – Al2O3 – ZnO/water ternary hybrid nanofluid: investigating the effects of temperature, volume concentration and mixture ratio on specific heat capacity, and development of hybrid machine learning for prediction. Journal of Energy Storage. 2021;41:102947. DOI: 10.1016/j.est.2021.102947.
  30. Barin I. Thermochemical data of pure substances. 3rd edition. Weinheim: VCH Verlagsgesellschaft mbH; 1995. 2 volumes.
  31. Kim H-S, Gibbs ZM, Tang Y, Wang H, Snyder GJ. Characterization of Lorenz number with Seebeck coefficient measurement. APL Materials. 2015;3(4):041506. DOI: 10.1063/1.4908244.
  32. Gadzhiev GG. The thermal and elastic properties of zinc oxide-based ceramics at high temperatures. High Temperature. 2003;41(6):778–782. DOI: 10.1023/b:hite.0000008333.59304.58.
  33. Köster-Scherger O, Schmid H, Vanderschaeghe N, Wolf F, Mader W. ZnO with additions of Fe2O3: microstructure, defects, and Fe solubility. Journal of the American Ceramic Society. 2007;90(12):3984–3991. DOI: 10.1111/j.1551-2916.2007.02066.x.
  34. Cheng H, Xu XJ, Hng HH, Ma J. Characterization of Al-doped ZnO thermoelectric materials prepared by RF plasma powder processing and hot press sintering. Ceramics International. 2009;35(8):3067–3072. DOI: 10.1016/j.ceramint.2009.04.010.
Опубликован
2022-10-10
Ключевые слова: керамика, оксид цинка, плотность, теплопроводность, рассеяние фононов, термоэлектрическая добротность
Поддерживающие организации Исследование выполнено за счет государственной программы научных исследований «Физматтех, новые материалы и технологии» (грант № 1.15.1).
Как цитировать
Пашкевич, А. В., Близнюк, Л. А., Федотов, А. К., Ховайло, В. В., Харченко, А. А., & Федотова, В. В. (2022). Тепловые и термоэлектрические свойства керамики на основе оксида цинка, легированной железом. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 56-67. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2022-3-56-67
Выпуск
№ 3 (2022): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2022 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).