Peculiarities of «liquid - solid» phase equilibria in Six-Ge1-x nanoparticles for various mutual arrangements of phases

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The application of 3D nanocrystalline materials obtained using the liquid-phase and solid-phase powder metallurgy technologies is one of the basic approaches to designing high-efficiency and low-cost thermoelectric energy converters. Nanostructured alloys of the Six - Ge 1- x system represent one of the most efficient high-temperature thermoelectric materials. Features of the equilibrium phase composition of Six - Ge 1- x nanoparticles with a core-shell structure and various fractions of Si have been simulated using the thermodynamic approach in the interval between the liquidus and solidus temperatures. It has been demonstrated that the temperature dependences of the equilibrium phase composition of co-existing liquid and solid phases in the heterogeneous region significantly depend on the mutual arrangement of these phases in the core-shell structure. The results are accompanied by analysis of the initial composition effect which consists in the fact that not only the volume fractions of co-existing phases but also their composition depend on the Si fraction of the parent particle. The «hysteresis effect» has been shown. A thermodynamic interpretation of the obtained results has also been given based on three mechanisms of reducing the free energy of the system.

About the authors

Alexander V. Shishulin

Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration; Pleiades Publ. Ltd

Email: chichouline_alex@live.ru
Ph. D., Senior Lecturer, Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration; Technical Editor, Pleiades Publ. Ltd.

Anna V. Shishulina

R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

Ph. D., Associate Professor

Alexey V. Kuptsov

R.E. Alekseev Nizhny Novgorod State Technical University

1st year graduate student

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).