За последние двадцать лет был достигнут значительный прогресс в повышении термоэлектрической добротности ZT как «классических» низкотемпературных термоэлектриков, таких как Bi₂Te₃, так и новых термоэлектрических материалов на основе сплавов Гейслера, скуттерудитных соединений, фаз Цинтля и др., которые находят свое применение в средне- и высокотемпературном интервале. Эти впечатляющие достижения в повышения добротности термоэлектрических материалов обусловлены главным образом понижением средних размеров зерна кристаллитов до субмикронного уровня (наноструктурирование). Резкий рост процессов рассеяния тепловых фононов на межзеренных границах приводит к существенному понижению теплопроводности, которая обратно пропорциональна добротности ZT термоэлектриков. Опубликованные в литературе данные указывают на то, что лабораторные образцы термоэлектрических материалов могут обладать ZT > 1, что представляет существенный интерес с точки зрения практических применений. Однако следует отметить, что рост ZT за счет понижения теплопроводности в большинстве современных материалов достиг максимума; кроме этого, наноразмерные зерна кристаллитов зачастую увеличивают свои размеры за счет рекристаллизации; особенно это касается высокотемпературных термоэлектриков. В настоящее время зарождается новый подход к повышению добротности термоэлектрических материалов, который заключается во внедрении наноразмерных магнитоупорядоченных включений в объемную матрицу термоэлектрического материала, что позволяет эффективно влиять на электронным и фононный транспорт композитов за счет эффектов локализации и фильтрации носителей зарядов, а также увлечения носителей зарядов парамагнонами (paramagnon drag). Применение этих подходов позволило достичь выдающихся результатов для скуттерудитов (Zhao et al., Nature, 2017), сплавов Гейслера на основе NiTiSn (Lu et al., J. Mater. Chem. A, 2019), селенидов олова (Chandra et al., ACS Appl. Energy Mater., 2020), силицидов марганца (Kim et al., Nano Energy, 2020) и теллуридов (Zheng et al., Sci. Adv., 2019; Ma et al., J. Mater. Chem. A, 2020). Учитывая новизну этого подхода и его огромный практический потенциал, данный проект направлен на разработку и исследование свойств композитов на основе низко- (теллуриды висмута), средне- (сплавы Гейслера на основе железа) и высокотемпературных (сплавы на основе SiGe, FeVSb) термоэлектрических матриц с наноразмерными (в том числе когерентными) включениями магнитоупорядоченных металлов и сплавов.

Целью проекта является разработка наноразмерных и наноструктурированных магнитных материалов, а так же лабораторных технологий их получения для применения в высокотехнологичных секторах экономики, включая биомедицину, аэрокосмический комплекс, микро- и наноэлектронику.

В рамках реализации государственного задания в 2020 году создана лаборатория «Многофункциональные магнитные наноматериалы».

В рамках проекта предлагается разработать методику получения соединений на основе Ln_y(Co,Fe)Sb_12+δ и Bi_1–xLn_xCuSeO (Ln – p-, f-элементы) методами реакционного искрового плазменного спекания или механохимического синтеза. Принципиальный выигрыш данного метода – возможность получения объемного термоэлектрического материала из исходных материалов в одну стадию, без применения длительных отжигов в инертной атмосфере (или в вакууме). Более того, данный способ достаточно просто масштабировать до индустриальных масштабов, учитывая, что он может быть реализован на любой установке искрового плазменного спекания / горячего прессования.

Термоэлектрические генераторы могут быть использованы для автономной генерации электрической энергии за счет реализации эффекта Зеебека - прямого преобразованием тепловой энергии в электрическую. При этом генерация возможна в условиях сверхнизких температур и низкой освещенности, в отличие от, например, фотовольтаического преобразования. Это открывает новые возможности по освоению Арктики и других пространств с экстремальными условиями, включая космическое пространство.

Полупроводниковые сплавы Гейслера считаются наиболее перспективной заменой существующих термоэлектрических материалов, работающих при температурах выше 400 К. Несмотря на сравнительно небольшие значения zT, исследованию так называемых полных сплавов Гейслера на основе железа Fe₂YZ (Y – переходные металлы, Z – элементы III-V групп периодической таблицы) уделяется значительное внимание, обусловленное дешевизной входящих в состав элементов, механическим свойствам и термической стабильности в эксплуатационных условиях. При этом ключевой задачей для синтеза перспективных сплавов Гейслера является изучение условий фазообразования и поиск способа получения метастабильных фаз.

Традиционными методами синтеза подобных соединений являются: индукционная плавка, многоступенчатый твердофазный синтез и механическое легирование (МЛ), однако данные методики требуют больших временных и энергетических затрат. Более того, зачастую невозможно получить метастабильные соединения с использованием таких подходов. Высокоэффективным методом синтеза является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС), основанный на экзотермических реакциях. Этот метод может позволить расширить спектр получаемых однофазных термоэлектрических сплавов Гейслера, в том числе, которые невозможно получить применяемыми на данный момент способами.

В рамках проекта предполагается поиск новых соединений на основе сплавов Гейслера Fe₂YZ (Y = V, Nb, Ti, Zr, Hf; Z = Al, Ga, Sn, Si) и исследование влияния методов синтеза и изовалентного замещения на структуру, электрофизические и тепловые свойства, и, как следствие, на термоэлектрическую добротность zT.

Высокоэнергетические постоянные магниты являются ключевым компонентом в многочисленных высокотехнологических устройствах, таких, например, как электромобили и гибридные автомобили, генераторы энергии разного уровня, сервомоторы для микроробоботики и др. Редкоземельные элементы, такие как неодим и диспрозий, абсолютно необходимы для производства этого класса магнитотвердых материалов, однако в результате недавнего скачка цен на редкоземельные металлы, вызванного монопольным производством этих металлов Китаем, возникла потребность создания альтернативных постоянных магнитов, которые могут в определенной степени составить конкуренцию магнитам Nd(Dy)-Fe-B. В течение нескольких последних лет интенсивные и хорошо финансируемые по всему миру исследования по поиску замещающих материалов для производства постоянных магнитов, не содержащих редкоземельных элементов, не привели к появлению новых конкурентных постоянных магнитов. Поэтому разработка конкурентоспособных магнитов на основе 4f-3d элементов, с уменьшенным содержанием редкоземельных металлов, наряду с материалами, содержащими некритические редкоземельные элементы (такие как Ce, Sm) остается первоочередной задачей для ученых во всех развитых странах мира. Основной причиной, затрудняющей поиск новых постоянных магнитов, является, на наш взгляд, недостаточно глубокое понимание механизмов, ответственных за формирование высококоэрцитивного состояния. В литературе выделяют четыре таких механизма (1) за счет анизотропии формы, (2) за счет необратимого вращения намагниченности в однодоменных частицах, (3) задержка смещения доменных границ и (4) задержка зародышеобразования новой магнитной фазы. Если первые 2 механизма достаточно хорошо изучены и воспроизводимы в различных классах нанокристаллических магнитотвердых материалов, два последних механизма коэрцитивности, представляющих наивысший интерес при создании высокоэнергетических магнитов, являются достаточно эксклюзивными (для каждого из класса современных магнитотвердых материалов предлагается своя индивидуальная модель, которая все время уточняется). Например, для SmZrCoCuFe магнитов предполагается задержка смещения на включениях Sm(CoCu)5 или, в последнее время, стали говорить о задержке смещения доменных границ на магнитной Zr-обогащенной фазе. Для Nd-Fe-B магнитов предполагается задержка зародышеобразования на границе зерна, однако недавние исследования показали, что межзеренная фаза может быть феромагнитной, что, в принципе исключает данный общепринятый механизм из рассмотрения. Более того, существует большое количество фаз с высокой магнитной анизотропией (например, SmFe11Ti), превышающей анизотропию Nd2Fe14B, и соответственно потенциальная коэрцитивная сила должна быть больше чем у NdFeB магнитов. Тем не менее, на основе этих фаз не удалось до сих пор сделать массивные постоянные магниты, использующих механизмы задержки смещения доменных границ или задержки зародышеобразования новой магнитной фазы. Таким образом, можно прийти к заключению, что в мировой литературе отсутствует четкое понимание природы коэрцитивной силы в массивных текстурованных спеченных постоянных магнитах, так как наличие высоких значений констант магнитокристаллической анизотропии (обязательное условие) не всегда позволяет реализовать соответствующие значения коэрцитивной силы, и причины этого совершенно не изучены. С другой стороны, реализация задержки смещения доменных границ или задержки зародышеобразования новой магнитной фазы в магнитах на основе других высокоанизотропных магнитных фаз (SmFe11Ti, Sm5Fe17 и др, а также гидридов и нитридов РЗМ-3d интерметаллидов) поможет создать необходимую базу для понимания общих закономерностей формирования высококоэрцитивного состояния, что, в свою очередь, представляет не только практический, но и фундаментальный интерес в физике магнитных явлений. Наш проект основан на комплексном теоретическом и прикладном исследовании, направленном на изучение механизмов формирования высококоэрцитивного состояния в новых магнитотвердых материалах. В задачи проекта входит получение и исследование интерметаллидов с высокой одноосной магнитной анизотропией, оптимизация режимов термических и механических обработок для формирования необходимого фазового состава и структуры, максимизация характеристик магнитотвердых материалов и постоянных магнитов на их основе, исследование микро и наноструктуры полученных материалов, детальное исследование магнитных характеристик новых магнитотвердых материалов и особенностей процессов перемагничивания, а так же теоретическое исследование процессов перемагничивания, основанное на доскональном знании микроструктуры магнита и магнитных свойств структурных составляющих. В качестве объектов исследования выбраны соединения железа (кобальта) с редкоземельными металлами (РЗМ) RM12 и R5M17 (R – РЗМ - элемент, М-3d-элемент, Т – немагнитный элемент), а также азот- и водородсодержащие соединения данных стехиометрических составов, которые обладают свойствами, делающих их перспективными в качестве материалов для постоянных магнитов. Являясь превосходными модельными объектами для анализа природы фундаментальных магнитных свойств редкоземельных интерметаллидов и процессов формирования высококоэрцитивного состояния, данные классы соединении и их гидридов обладают сравнительно простой кристаллической решеткой и демонстрируют огромное разнообразие магнитных свойств, в частности, различные типы магнитного упорядочения и магнитокристаллической анизотропии (МКА) в зависимости от вида РЗМ и 3d-металла.

Полупроводниковые сплавы Гейслера обладают огромным потенциалом для рекуперации энергии бросового тепла из различных источников, таких как промышленные предприятия, выхлопные газы автомобилей и др. Основной целью работы является оптимизация термоэлектрических свойств полупроводниковых сплавов Гейслера с помощью новых подходов к синтезу этих материалов, которые основаны на изготовлении наноструктурированных нанокомпозитных систем. Систематическое и всестороннее исследование этих материалов позволит выявить основные особенности in situ формирования нанокомпозитов на основе сплавов Гейслера.

В ходе выполнения проекта будут синтезированы и исследованы представители семейства медных оксиселенидов Bi_1–xR_xCuSeO (где R = Nd, Pr, Ce, Sm или La; x = 0 ÷ 0.08), которые представляют интерес с точки зрения термоэлектрических свойств. Основное внимание будет уделяться исследованию термоэлектрических свойств полученных материалов. Для этой цели будут проводиться измерения электрического сопротивления, термоЭДС и теплопроводности в широком (от 300 до 923 К) температурном интервале. Поставленные задачи позволят получить следующие результаты:
- влияние изовалентного замещения ионов Bi³⁺ на ионы редкоземельных элементов R³⁺ (R = Nd, Pr, Ce, Sm или La) на тепловые и транспортные свойства оксиселенидов Bi_1–xR_xCuSeO (x = 0 ÷ 0.08);
- влияние допирования на термоэлектрическую добротность zT оксиселенидов.
В результате выполнения проекта будут выявлены новые металлооксидные соединения на основе медных оксиселенидов, перспективные для применения в термоэлектрических генераторах, способных работать в широком диапазоне температур 600 – 900 К.

Проект основан на комплексном теоретическом и прикладном исследовании, направленном на изучение влияния термических и механических воздействий на гистерезисные, магнитотепловые, магнитострикционные свойства перспективных микро- и наноструктурированных магнитных материалов, которые в будущем могут стать экономически выгодной заменой существующих материалов, используемых в различных областях приборостроения. Используемые методы механосинтеза, интенсивной пластической деформации (в том числе взрывом), компактирования в полимерном связующем или создания композитных материалов, совмещенные с поиском оптимальных температурных обработок, в том числе и в магнитных полях, позволят создать базу для разработки новых замещающих магнитных материалов, в которых нуждается современное приборостроение. Изучение механизмов формирования высококоэрцитивного, высокоанизотропного состояния в новых материалах для постоянных магнитов, а также исследование магнитокалорических материалов представляет не только практический, но и фундаментальный интерес в физике магнитных явлений.