Термоэлектрические материалы предназначены для превращения электрической энергии в тепловую и наоборот, что используется для охлаждения без использования компрессоров и для выработки электрического тока под действием разности температур. В основе их работы лежат эффекты Зеебека, Пельтье и Томпсона. (Что это за эффекты? (1 балл)) Мерой добротности термоэлектрических материалов служит безразмерный коэффициент ZT, определяемый формулой 1
Для повышения термоэлектрической добротности требуется одновременно увеличить электропроводность и коэффициент Зеебека и понизить теплопроводность.
Одним из подходов к решению такой задачи является метод наноструктурирования. Опишите, каким образом создание наноразмерных объектов может привести к повышению термоэлектрической добротности (4 балла).
К перспективным термоэлектрическим материалам относится нанокомпозит, состоящий из наночастиц висмута (размером порядка 50 нм), внедренных в матрицу теллурида свинца PbTe. Предложите объяснение явления повышения термоэлектрической добротности материала при создании нанокомпозита (2 балла). Аналогичный композит, содержащий наночастицы сурьмы, демонстрирует похожие свойства, тогда как композит с мышьяком вместо сурьмы не обладает перспективными термоэлектрическими свойствами. Объясните, почему (2 балла).
Кремний и германий относятся к узкозонным полупроводникам, имеющим высокие значения теплопроводности, однако теплопроводность твердого раствора Si1–xGex в 10-15 раз меньше теплопроводности исходных веществ, а легирование бором (менее 0.3 масс.%) приводит к снижению теплопроводности еще на 15-20%. Объясните эти явления (2 балла).
Для создания прямых преобразователей тепловой энергии солнечного света в электрическую разрабатываются новые типы термоэлектрических материалов, к числу которых относятся наноблочные оксиды. Эти соединения построены в результате чередования слоев, отвечающих за высокую электропроводность, со слоями, определяющими низкую теплопроводность. Теплопроводность таких соединений относительно высока – более 5 Вт/м/К. Предложите объяснения, почему наноблочные структуры на основе кобальта выбраны для создания такого типа термоэлектрических материалов и почему наибольшую добротность демонстрируют блочно-несоразмерные соединения (2 балла). Предложите другие классы неорганических соединений для создания указанных материалов (2 балла).
