ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕРМОМЕТРИЧНОГО МАТЕРІАЛУ Ti1-xScxCoSb. МОДЕЛЮВАННЯ ХАРАКТЕРИСТИК

Представлено другу частину комплексного дослідження термометричного матеріалу Ti1-xScxCoSb для чутливих елементів термоелектричних та електрорезистивних термоперетворювачів. Проведено моделювання термодинамічних, електрокінетичних, енергетичних та структурних характеристик напівпровідникового термометричного матеріалу Ti1-xScxCoSb для різних варіантів просторового розташування атомів. Встановлено, що за умови упорядкованого варіанту кристалічної структури Ti1-xScxCoSb результати моделювання характеристик не відповідають експериментальним результатам дослідження температурних та концентраційних залежностей питомого електроопору, коефіцієнта термо-ерс, характеру поведінки рівня Фермі εF тощо. Так, для упорядкованої структури Ti1-xScxCoSb моделювання показало, що заміщення у кристалографічній позиції 4а сполуки TiCoSb атомів Ті (3d24s2) на Sc (3d14s2) генерує структурні дефекти акцепторної природи, оскільки атом Sc володіє меншим числом 3d-електронів. Додавання до TiCoSb найменшої в експерименті концентрації атомів Sc шляхом заміщення атомів Ti радикально змінює характер поведінки питомого опору ρ та коефіцієнта термо-ерс α Ti0.995Sc0.005CoSb. В температурному діапазоні 80–350 К значення питомого опору ρ збільшуються з ростом температури, а провідність Ti0.995Sc0.005CoSb носить металічний характер. Тобто, додавання найменшої в експерименті концентрації атомів Sc (х=0.005), які повинні генерувати акцептори, змінило положення рівня Фермі εF у спосіб, який може спричинити лише поява у напівпровіднику донорів. Так, якщо в TiCoSb рівень Фермі εF лежав у забороненій зоні, то металізація провідності Ti0.995Sc0.005CoSb засвідчує, що він не лише наблизився до зони провідності, але і перетнув її рівень протікання, а електрони залишаються основними носіями електрики. На це вказують від’ємні значення коефіцієнта термо-ерс α Ti0.995Sc0.005CoSb, що є можливим лише за умови генерування донорів невідомої природи. Металізація провідності Ti0.995Sc0.005CoSb також не відповідає результатам моделювання електронної структури для упорядкованого варіанта структури. Адже моделювання показує, що за найменшої концентрації акцепторної домішки Sc рівень Фермі εF буде дрейфувати від зони провідності εС до середини забороненої зони εg. А тому на високотемпературній ділянці залежності ln(ρ(1/T)) має бути активаційна ділянка, пов’язана з термічним закидом електронів з рівня Фермі εF у зону провідності εС, а значення енергії активації електронів ε1ρ має бути більшим, ніж у випадку TiCoSb. Для уточнення кристалічної та електронної структури сполуки TiCoSb проведено моделювання розподілу густини електронних станів (DOS) за різних варіантів зайняття атомами кристалографічних позицій, а також зайняття атомами тетраедричних пустот структури, які складають ~24% об’єму елементарної комірки. Показано, що у базовій сполуці TiCoSb присутні структурні дефекти донорної та акцепторної природи як результат розташування у тетраедричних пустотах структури додаткових атомів Со* та наявність вакансій у кристалографічній позиції 4а атомів Ті. Уведення до структури сполуки TiCoSb домішкових атомів Sс шляхом заміщення у позиції 4а атомів Ті генерує структурні дефекти акцепторної природи, а співвідношення у Ti1-xScxCoSb концентрацій наявних дефектів донорної та акцепторної природи визначає розташування рівня Фермі εF та механізми провідності. Отримані результати дозволяють прогнозовано моделювати та отримувати термометричні матеріали Ti1-xScxCoSb для чутливих елементів термоперетворювачів.