Особенности фазовых равновесий «жидкость – твердое тело» в наночастицах системы Six-Ge1-x при различном взаимном расположении фаз
А.В. Шишулин1,2, А.В. Шишулина3, А.В. Купцов3
1 ФГБОУ ВО «Российская Академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации»
2 Pleiades Publ. Ltd.
3 ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.437
Краткое сообщение
Аннотация: Использование объемных нанокристаллических материалов, полученных с использованием твердо- и жидкофазных технологий порошковой металлургии, является одним их основных подходов к созданию высокоэффективных и коммерчески доступных термоэлектрических преобразователей энергии. Одним из наиболее эффективных термоэлектрических материалов в области высоких температур являютсянаноструктурованные сплавы системы Six–Ge1-x. В рамках термодинамического подхода смоделированы особенности равновесного фазового состава наночастиц Six–Ge1-x с различной долей Si со структурой core-shell между температурами ликвидуса и солидуса. Показано, что температурные зависимости равновесного состава сосуществующих твердой и жидкой фаз в области гетерогенности существенно зависят от взаимного расположения этих фаз в core-shell-структуре. Результаты дополнены рассмотрением эффекта исходного состава, состоящего в зависимости не только объемной доли сосуществующих фаз, но и их состава, от доли Si в исходной частице. Продемонстрирован «гистерезисный эффект». Представлена термодинамическая интерпретация полученных результатов на основе трех механизмов понижения свободной энергии системы.
Ключевые слова: наночастицы, твердые растворы, химическая термодинамика, ликвидус, солидус, структура core-shell, германий, кремний
- Шишулин Александр Владимирович – к.х.н., старший преподаватель, ФГБОУ ВО «Российская Академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации», технический редактор Pleiades Publ. Ltd.
- Шишулина Анна Владимировна – к.х.н., доцент, ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
- Купцов Алексей Владимирович – студент магистратуры 1 года обучения, ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Ссылка на статью:
Шишулин, А.В. Особенности фазовых равновесий «жидкость – твердое тело» в наночастицах системы Six-Ge1-x при различном взаимном расположении фаз / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина, А.В. Купцов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 437-447. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.437.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Thermoelectric handbook: macro to nano / Ed. by D.M. Rowe. – Boca Raton: CRC Press, 2006. – 1014 p. DOI: 10.1201/9781420038903.
2. d’Angelo, M. Thermoelectric materials and applications: a review / M. d’Angelo, C. Galassi, N. Lecis // Energies. – 2023. – V. 16. – I. 17. – Art. no. 6409. – 50 p. DOI: 10.3390/en16176409.
3. Shishulin, A.V. Fractal nanoparticles of phase-separating solid solutions: nanoscale effects on phase equilibria, thermal conductivity, thermoelectric performance / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Springer Proceedings in Complexity; ed. by C.H. Skiadas, Y. Dimotikalis. – Cham: Springer, 2022. – P. 421-432. DOI: 10.1007/978-3-030-96964-6_30.
4. Shishulin, A.V. Several notes on the lattice thermal conductivity of fractal-shaped nanoparticles // A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. –2022. –V. 19. – I. 3(41). –P. 10-17. DOI: 10.31489/2022No3/10-17.
5. Basu, R. High temperature Si-Ge alloy towards thermoelectric applications: a comprehensive review / R. Basu, A. Singh // Materials Today Proceedings. – 2021. – V. 21. – Art. no. 100468. – 26 p. DOI: 10.1016/j.mtphys.2021.100468.
6. Дорохин, М.В. Легирование термоэлектрических материалов на основе твердых растворов SiGe в процессе их синтеза методом электроимпульсного плазменного спекания / М.В. Дорохин, П.Б. Демина, И.В. Ерофеева и др. // Физика и техника полупроводников. –2019. –Т. 53. – Вып. 9. – С. 1182-1188. DOI: 10.21883/FTP.2019.09.48121.04.
7. Дорохин, М.В. Формирование мелкодисперсного термоэлектрика Si1-xGex при электроимпульсном плазменном спекании / М.В. Дорохин, М.С. Болдин, Е.А. Ускова и др. // Журнал технической физики. – 2021. – Т. 91. – Вып. 12. – С. 1975-1983. DOI: 10.21883/JTF.2021.12.51763.152-21.
8. Körner, C. Mesoscopic simulation of selective beam melting processes / C. Körner, E. Attar, P. Heinl // Journal of Materials Processing Technology. – 2011. –V. 211. – I. 6. – P. 987-987. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2010.12.016.
9. Wu, Y. Modeling the selective laser melting-based additive manufacturing of thermoelectric powders / Y. Wu, K. Sun, S. Yu, L. Zuo // Additive Manufacturing. –2021. –V. 37. – Art. no. 101666. – 37 p. DOI: 10.1016/j.addma.2020.101666.
10. Olesinski, R.W. The Ge-Si(germanium-silicon) system / R.W. Olesinski, J. Abbaschian // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. – 1984. – V. 5. – I. 2. – P. 180-183. DOI: 10.1007/BF02868957.
11. Шишулин, А.В. О влиянии внешней среды на фазовые равновесия в системе малого объема на примере распада твердого раствора Bi-Sb / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев, А.В. Шишулина // Бутлеровcкие сообщения. – 2017. – Т. 51. – Вып. 7. – С. 31-37.
12. Шишулин, А.В. Влияние исходного состава на переход жидкость-твердое тело в наночастицах сплава Cr-W / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев // Неорганические материалы. – 2019. – Т. 55. – №1. – С. 16-20. DOI: 10.1134/S0002337X19010135.
13. Шишулин, А.В. Термодинамические закономерности влияния на фазовые равновесия состава и морфологии границ раздела малых объемов бинарных органических расслаивающихся систем: дисс. … канд. хим. наук: 1.4.4: защищена 18.05.2023; утв. 14.11.2023 / Шишулин Александр Владимирович. – Нижний Новгород: Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 2023. – 126 с.
14. Сдобняков, Н.Ю. Изучение термодинамических и структурных характеристик наночастиц металлов в процессе плавления и кристаллизации: теория и компьютерное моделирование / Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов. Тверь: Тверской государственный университет, 2018. – 176 с.
15. Вересов, С.А. К вопросу изучения процессов структурообразования в четырехкомпонентных наночастицах / С.А. Вересов, К.Г. Савина, А.Д. Веселов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 371-382. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.371.
16. Магомедов, М.Н. Изменение термодинамических свойств твердого раствора Si-Ge при уменьшении размера нанокристалла / М.Н. Магомедов // Физика твердого тела. – 2019. – Т. 61. – Вып. 11. – С. 2169-2177. DOI: 10.21883/FTT.2019.11.48424.484.
17. Самсонов, В.М. Флуктуационный подход к проблеме применимости термодинамики к наночастицам / В.М. Самсонов, Д.Э. Деменков, В.И. Карачаров, А.Г. Бембель // Известия РАН. Серия физическая. – 2011. – Т. 75. – Вып. 8. – С. 1133-1137.
18. Шишулин, А.В. К вопросу о плавлении наночастиц фрактальной формы (на примере системы Si-Ge) / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев, А.В. Шишулина // Журнал технической физики. – 2019. – Т. 89. – Вып. 9. – С. 1420-1426. DOI: 10.21883/JTF.2019.09.48069.88-19.
19. Шишулин, А.В. Некоторые особенности высокотемпературных фазовых равновесий в наночастицах системы Six-Ge1-x / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 268-276. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.268.
20. Shishulin, A.V. The initial composition as an additional parameter determining the melting behaviour of nanoparticles (a case study on Six-Ge1-x alloys) / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. – 2021. – V. 18. – I. 4(38). – P. 5-13. DOI: 10.31489/2021No4/5-13.
21. Bajaj, S. Phase stability in nanoscale material systems: extension from bulk phase diagrams / S. Bajaj, M.G. Haverty, R. Arróyave et al. // Nanoscale. – 2015. – V. 7. – I. 24. – P. 9868-9877. DOI:10.1039/C5NR01535A.
22. Bonham, B. Thermal stability and optical properties of Si-Ge nanoparticles / B. Bonham, G. Guisbiers // Nanotechnology. – 2017. – V. 28. – I. 24. – Art no. 245702. – 26 p. DOI: 10.1088/1361-6528/aa726b.
23. Шишулин, А.В. Равновесный фазовый состав и взаимная растворимость компонентов в наночастицах фрактальной формы тяжелого псевдосплава W-Cr / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 380-388. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.380.
24. Сдобняков, Н.Ю. Морфологические характеристики и фрактальный анализ металлических пленок на диэлектрических поверхностях: монография / Н.Ю. Сдобняков, А.С. Антонов, Д.В. Иванов. – Тверь: Тверской государственный университет, 2019. – 168 с.
25. Анофриев, В.А. К проблеме автоматизации процесса определения фрактальной размерности / В.А. Анофриев, А.В. Низенко, Д.В. Иванов, А.С. Антонов, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 264-276. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.264.
26. Шишулин, А.В. Полимерные растворы в порах деформируемых матриц: фазовые переходы, индуцированные деформацией пористого материала / А.В. Шишулин, В.Б. Федосеев// Журнал технической физики. – 2020. – Т. 90. – Вып. 3. – C. 358-364. DOI: 10.21883/JTF.2020.03.48917.292-19.
27. Shirinyan, A. Two-phase equilibrium states in individual Cu-Ninanoparticles: size, depletion and hysteresis effects / A. Shirinyan // Beilstein Journal of Nanotechnology. – 2015. – V. 6. – P. 1811-1820. DOI:10.3762/bjnano.6.185.
28. Shirinyan, A. Solidification loops in the phase diagrams of nanoscale alloy particles: from a specific example towards a general vision / A. Shirinyan, G. Wilde, Y. Bilogorodskyy // Journal of Materials Science. – 2018. – V. 53. – I. 4. – P. 2859-2879. DOI: 10.1007/s10853-017-1697-y.
29. Shishulin, A.V. One more parameter determining the stratification of solutions in small-volume droplets / A.V. Shishulin, A.V. Shishulina // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2022. – V. 95. – I. 6. – P. 1374-1382. DOI: 10.1007/s10891-022-02606-8.
30. Шишулин, А.В. Влияние исходного состава на фазовые равновесия при твердофазном расслаивании в наночастицах бинарных сплавов (на примере системы W-Cr) / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 299-307. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.299.
31. Shishulin, A.V. Fractal nanoparticles of phase-separating solid solutions: morphology-dependent phase equilibria in tungsten heavy pseudo-alloys / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. – 2023. – V. 20. – I. 4(46). – P. 125-132. DOI: 10.31489/2023no4/125-132.
32. Shishulin, A.V.On some peculiarities of stratification of liquid solutions within pores of fractal shape / A.V. Shishulin, V.B. Fedoseev // Journal of Molecular Liquids. – 2019. – V. 278. – P. 363-367. DOI: 10.1016/j.molliq.2019.01.050.
33. Федосеев, В.Б. О распределении по размерам дисперсных частиц фрактальной формы / В.Б. Федосеев, А.В. Шишулин// Журнал технической физики. – 2021. – Т. 91. – Вып. 1. – С. 39-45. DOI: 10.21883/JTF.2021.01.50270.159-20.
34. Федосеев, В.Б. Поправка к статье «О распределении по размерам дисперсных частиц фрактальной формы» / В.Б. Федосеев, А.В. Шишулин// Журнал технической физики. – 2022. – Т. 92. – Вып. 4. – С. 643-644. DOI: 10.21883/JTF.2022.04.52255.pravka.
35. Федосеева, Е.Н. Взаимодействие хитозана и бензойной кислоты в растворах и пленках / Е.Н. Федосеева, В.Б. Федосеев // Высокомолекулярные соединения. СерияА. – 2011. – Т. 53. – Вып. 11. – С. 1900-1907.
36. Li, J. An improved box-counting method for image fractal dimension estimation / J. Li, Q. Du, C. Sun // Pattern Recognition. – 2009. – V. 42. – I. 11. – P. 4260-4269. DOI: 10.1016/j.patcog.2009.03.001.