Барьерные слои на основе тугоплавких металлов в контактах высокотемпературных термоэлементов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Предложен электрохимический способ формирования контактов к высокотемпературным термоэлементам с барьерными слоями на основе сплавов тугоплавких металлов. Контакты предназначены для термоэлементов с рабочими температурами до 900 К. Получены и исследованы барьерные слои на основе сплавов: Ni–Mo; Co–Mo; Co–Mo и Ni–W, которые имели удельное сопротивление не более 15.3 × 10–8 Ом м, а удельное контактное сопротивление не более 1.5 × 10–9 Ом м2. Лучшие результаты получены для барьерных слоев на основе сплава Ni–Mo с содержанием Mo 36.5 мас. %. В качестве коммутационного слоя в контактах использовали пленки Ag, полученные электрохимическим осаждением. Установлено, что контакты являются термостабильными при предельных рабочих температурах термоэлементов и обладают адгезионной прочностью не менее 10.3 МПа.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. П. Корчагин

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”

Автор, ответственный за переписку.
Email: eg.ad2013@yandex.ru
Россия, Москва

Ю. И. Штерн

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”

Email: eg.ad2013@yandex.ru
Россия, Москва

И. Н. Петухов

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”

Email: eg.ad2013@yandex.ru
Россия, Москва

М. Ю. Штерн

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”

Email: eg.ad2013@yandex.ru
Россия, Москва

М. С. Рогачев

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”

Email: rmaks1988@yahoo.com
Россия, Москва

Р. М. Рязанов

Национальный исследовательский университет “МИЭТ”; Научно-производственный комплекс “Технологический центр”

Email: eg.ad2013@yandex.ru
Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Jaldurgam, F. F., Ahmad, Z., and Touati, F., Synthesis and performance of large-scale cost-effective environment-friendly nanostructured thermoelectric materials, Nanomaterials, 2021, vol. 11, no. 5, ID1091, p. 1.
  2. Liu, Z. and Mori, T., Nanostructured bulk thermoelectric materials for energy harvesting, in System-Materials Nanoarchitectonics, Wakayama, Y. and Ariga, K. (eds), Tokyo: Springer, 2022, p. 199–231. https://doi.org/10.1007/978-4-431-56912-1_13
  3. Okhay, O. and Tkach, A., Metal Oxide Based Thermoelectric Materials, In Optical Properties of Metal Oxide Nanostructures, Kumar, V., Ayoub, I., Sharma, V., Swart, H.C. Eds, Singapore: Springer 2023, vol. 26, p. 399–430. https://doi.org/10.1007/978-981-99-5640-1_13
  4. Zhu, L., Li, H., Chen, S., Tian, X., Kang, X., Jiang, X., and Qiu, S., Optimization analysis of a segmented thermoelectric generator based on genetic algorithm, Renewable Energy, 2020, vol. 156, p. 710. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.04.120
  5. Штерн, М.Ю. Многосекционные термоэлементы, преимущества и проблемы их создания. Физика и техника полупроводников. 2021. Т. 55. № 12. С. 1105. doi: 10.21883/FTP.2021.12.51690.02. [Shtern, M.Y., Multi-section thermoelements, advantages and problems of their creation, Semiconductors, 2022, vol. 56, no. 4, p. 2098.] https://doi.org/10.21883/SC.2022.14.53847.02
  6. Ouyang, Z. and Li, D., Design of segmented high-performance thermoelectric generators with cost in consideration, Appl. Energy, 2018, vol. 221, p. 112. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.03.106
  7. Zhu, Y., Newbrook, D. W., Dai, P., Liu, J., de Groot, C. K., and Huang, R., Segmented thermoelectric generator modelling and optimization using artificial neural networks by iterative training, Energy and AI, 2023, vol. 12, ID100225. https://doi.org/10.1016/j.egyai.2022.100225
  8. Shtern, M., Rogachev, M., Shtern, Y., Gromov, D., Kozlov, A., and Karavaev, I., Thin-film contact systems for thermocouples operating in a wide temperature range, J. Alloys and Compounds, 2021, vol. 852, p. 156889.
  9. Zhu, L., Sun, D., Li, X., Liu, W., Huang, J., Liang, C., & Hu, X., Electroless plating of iron-group metals and electrochemical comparison for thermoelectric contacts, Solid State Sciences, 2024, vol. 154, p. 107613(1)-107613(7).
  10. Громов, Д.Г., Штерн, Ю.И., Рогачев, М. С. и др. Mo/Ni и Ni/Ta–W–N/Ni тонкопленочные контактные слои для межсоединений термоэлементов на основе (Bi, Sb)2Te3. Неорган. материалы. 2016. Т. 52. № 11. С. 1206. [Gromov, D.G., Shtern, Y.I., Rogachev, M.S., et al., Mo/Ni and Ni/Ta–W–N/Ni thin-film contact layers for (Bi, Sb)2Te3-based intermediate-temperature thermoelectric elements, Inorg. Mater., 2016, vol. 52, p. 1132.] https://doi.org/10.1134/S0020168516110030
  11. Zhang, Z., Gurtaran, M., and Dong, H., Low-Cost Magnesium-Based Thermoelectric Materials: Progress, Challenges, and Enhancements, ACS Appl. Energy Mater., 2024, vol. 7, no. 14, p. 5629. https://doi.org/10.1021/acsaem.4c00961
  12. Ouyang, Z., Modelling of segmented high-performance thermoelectric generators with effects of thermal radiation, electrical and thermal contact resistances, Scientific reports, 2016, vol. 6, p. 1.
  13. Arai, K., Matsubara, M., Sawada, Y., Sakamoto, T., Kineri, T., Kogo, Y., Iida, T., and Nishio, K., Improvement of Electrical Contact Between TE Material and Ni Electrode Interfaces by Appli-cation of a Buffer Layer, J. electronic materials, 2012, vol. 41, no. 6, p. 1771.
  14. Gupta, R. P., Xiong, K., White, J. B., Cho, K., Alshareef, H. N., and Gnade, B. E., Low resistance ohmic contacts to Bi2Te3 using Ni and Co metallization, J. Electrochem. Soc., 2010, vol. 157, no. 6, p. H666. https://doi.org/10.1149/1.3385154
  15. Asgari, M., Darband, G. B., and Monirvaghefi, M., Electroless deposition of Ni-W-Mo-Co-P films as a binder-free, efficient and durable electrode for electrochemical hydrogen evolution, Electrochim. Acta, 2023, vol. 446, ID142001.
  16. Lide, D. R., Handbook of Chemistry and Physics CRC Press LLC, 2004, vol. 85, Section 16, p. 2052.
  17. Мельников, П.С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. М.: Машиностроение, 1991. 384 с. [Melnikov, P.S., Hanbook of electroplating in mechanical engineering, Moscow: Mechanical engineering, 1991. 384 с.]
  18. Штерн, М.Ю. Наноструктурированные термоэлектрические материалы для температур 200–1200 К, полученные искровым плазменным спеканием. Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 6. С. 695. [Shtern, M. Yu., Nanostructured thermoelectric materials for temperatures of 200–1200 K obtained by spark plasma sintering, Semiconductors, 2023, vol. 56, no. 13, p. 437.] https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-6-695-706
  19. Zoui, M. A., Bentouba, S., Stocholm, J. G., and Bourouis, M., A review on thermoelectric generators: Progress and applications, Energies, 2020, vol. 13, no. 14, p. 3606. https://doi.org/10.3390/en13143606
  20. Zhu, X., Cao, L., Zhu, W., and Deng, Y., Enhanced interfacial adhesion and thermal stability in bismuth telluride/nickel/copper multilayer films with low electrical contact resistance, Adv. Mater. Interfaces, 2018, vol. 5, no. 23, ID1801279. https://doi.org/10.1002/admi.201801279
  21. Shtern, M.Y., Karavaev, I.S., Shtern, Y.I., Kozlov, A.O., and Rogachev, M.S., The surface preparation of thermoelectric materials for deposition of thin-film contact systems, Semiconductors, 2019, vol. 53, no. 13, p. 1848. https://doi.org/10.1134/S1063782619130177
  22. Штерн, М.Ю., Караваев, И.С., Рогачев, М.С., Штерн, Ю.И., Мустафоев, Б.Р., Корчагин, Е.П., Козлов, А.О. Методики исследования электрического контактного сопротивления в структуре металлическая пленка – полупроводник. Физика и техника полупроводников. 2022. Т. 56. № 1. C. 1097. [Shtern, M.Y., Karavaev, I.S., Rogachev, M.S., Shtern, Y.I., Mustafoev, B.R., Korchagin, E.P., and Kozlov, A.O., Methods for investigation of the electrical contact resistance in a metal film/semiconductor structure, Fizika i Tekhnika Poluprovodnikov, 2022, vol. 56, no. 1, p. 31.] https://doi.org/ 10.21883/FTP.2022.01.51808.24
  23. Xia, H., Drymiotis, F., Chen, C. L., Wu, A., and Snyder, G. J., Bonding and interfacial reaction between Ni foil and n-type PbTe thermoelectric materials for thermoelectric module applications, J. Mater. Sci., 2014, no. 49, p. 1716.
  24. Zhu, X., Cao, L., Zhu, W., and Deng, Y., Enhanced interfacial adhesion and thermal stability in bismuth telluride/nickel/copper multilayer films with low electrical contact resistance, Adv. Mater. Interfaces, 2018, vol. 5, no. 23, ID1801279. https://doi.org/10.1002/admi.201801279
  25. Song, J., Kim, Y., Cho, B. J., Yoo, C. Y., Yoon, H., and Park, S. H., Thermal diffusion barrier metallization based on Co–Mo powder-mixed composites for n-type skutterudite ((Mm, Sm) yCo4Sb12) thermoelectric devices, J. Alloys and Compounds, 2020, vol. 818, ID152917. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.152917
  26. Zhang, H., Wei, P., Zhou, C., Li, L., Nie, X., Zhu, W., and Zhao, W., Improved contact performance and thermal stability of Co–Ni alloy barrier layer for bismuth telluride-based thermoelectric devices, J. Mater. Sci.: Materials in Electronics, 2024, vol. 35, no. 10, p. 727. https://doi.org/10.1007/s10854-024-12490-y
  27. Liu, W. and Bai, S., Thermoelectric interface materials: a perspective to the challenge of thermoelectric power generation module, J. Materiomics, 2019, vol. 5, no. 3, p. 321. https://doi.org/10.1016/j.jmat.2019.04.004

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. РЭМ-изображения поверхности пленок, сформированных на образцах Bi0.4Sb1.6Te3.

Скачать (620KB)
Метаданные
3. Рис. 2. РЭМ-изображение скола образцов Bi0.4Sb1.6Te3 (а) и GeTe (б) с сформированной контактной системой Ni–Mo/Ag после отжига.

Скачать (270KB)
Метаданные
4. Рис. 3. РЭМ-изображение поэлементного картирования скола образца Bi0.4Sb1.6Te3 с сформированной КС Ni–Mo/Ag после отжига при 600 К: (а) Ag, (б) Ni, (в) Mo, (г) Te, (д) Sb, (e) Bi.

Скачать (1MB)
Метаданные
5. Рис. 4. РЭМ-изображение поэлементного картирования скола образца GeTe с сформированной КС Ni–Mo/Ag после отжига при 900 К: (а) Ni, (б) Ag, (в) Te, (г) Ge.

Скачать (2MB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025