Чутливі елементи термоперетворювачів на основі напівпровідникового матеріалу n-HfNiSn

Abstract

Наведено обґрунтування та нове вирішення важливої наукової прикладної проблеми забезпечення стабільності та відтворюваності температурних вимірювань у діапазоні 4,2÷1500 К, що виявляється у розвитку фізичних основ прогнозування та реалізації чутливих елементів термоелектричних та електрорезистивних перетворювачів на основі нових термометричних матеріалів HfNi1-xCoxSn, HfNi1-xRhxSn та HfNiSn1-xSbх. Розроблена та впроваджена методика стабілізації та відтворюваності термометричних характеристик матеріалів на базі n-HfNiSn та реалізованих чутливих елементів термоперетворювачів на їх основі шляхом легування базового матеріалу атомами Co, Rh та Sb. На основі результатів моделювання та дослідження кристалічної та електронної структур термометричних матеріалів, а також їх електрокінетичних та магнітних властивостей, здійснено прогнозування характеристик чутливих елементів термоперетворювачів. Реалізовано чутливі елементи термоелектричних та електрорезистивних перетворювачів та встановлені закономірності їх функцій перетворення у температурному діапазоні 4,2÷1500 К. Приведено обоснование и новое решение важной научной прикладной проблемы обеспечения стабильности и воспроизводимости температурных измерений в диапазоне 4,2÷1500 К, что проявилось в развитии физических основ прогнозирования и реализации чувствительных элементов высокотемпературных термоэлектрических и электрорезистивных преобразователей на основе новых термометрических материалов HfNi1-xCoxSn, HfNi1-xRhxSn и HfNiSn1-xSbх. Разработана и внедрена методика стабилизации и воспроизводимости термометрических характеристик материалов на основе n-HfNiSn и реализованных чувствительных термоэлементов на их основе путем легирования базового материала атомами Сo, Rh и Sb. На основе результатов моделирования и экспериментальных исследований кристаллической и электронной структур термометрических материалов HfNi1-xCoxSn, HfNi1-xRhxSn и HfNiSn1-xSbх, а также их электрокинетических и магнитных свойств, осуществлено прогнозирование характеристик чувствительных элементов термоэлектрических и электрорезистивных преобразователей, реализованных на исследованных термометрических материалах. Из анализа влияния внешнего магнитного поля на изменение электронной структуры исследованных термометрических материалов HfNi1-xCoxSn, HfNi1-xRhxSn и HfNiSn1-xSbх был сделан прогноз об отсутствии у них локальных магнитных моментов. Экспериментальные исследования магнитной восприимчивости данных материалов подтвердили результаты расчета их электронной структуры, что магнитное состояние вещества в основном определяют свободные электроны, а экспериментальные исследования характеристик указанных материалов показали их незначительную чувствительность к влиянию внешнего магнитного поля. Розработаны, изготовлены и апробированны чувствительные элементы высокотемпературных термоэлектрических и электрорезистивных преобразователей, у которых термочувствительный элемент и ветка термопары, соответственно, изготовлены из термометрических материалов HfNi1-xCoxSn, HfNi1-xRhxSn и HfNiSn1-xSbх. Установлены закономерности функций преобразования чувствительных элементов высокотемпературных преобразователей на основе исследованных термометрических материалов со стабильными и возобновляемыми характеристиками в температурном диапазоне 4,2÷1500 К. Сходя из результатов электрокинетических исследований новых термометрических материалов, которые владеют як положительными (HfNi1-xCoxSn, HfNi1-xRhxSn), так и отрицательными (HfNiSn1-xSbх) значениями коэффициента термо-ЕДС, предложена термоэлектрическая пара чувствительного элемента термоэлектрического преобразователя, которая не содержит благородных металлов, обе ветви которой изготовлены из новых термометрических материалов, что может обеспечить повышение чувствительности температурных измерений в 3-5 раз у сравнении с известными термоэлектрическими преобразователями. Реализованы чувствительные элементы высокотемпературных термоэлектрических и электрорезистивных преобразователей на основе термометрических материалов HfNi1-xCoxSn, HfNi1-xRhxSn и HfNiSn1-xSbх, что расширяет круг пребразователей температтуры с однозначними зависимостями и позволяет управлять характеристиками термометрического материала. Current study presents the ground and the new addressing of important scientific application problem of ensuring the stability and reproducibility of temperature measurements in the range 4,2÷1500 K, which is manifested in the development of physical principles of forecasting and implementation of electrical resistive and thermoelectric high-temperature sensors based on new thermometric materials HfNi1-xCoxSn, HfNi1-xRhxSn і HfNiSn1-xSbх. Methodology of stabilization and reproducibility of thermometric characteristics of materials based on n-HfNiSn has been designed and implemented and temperature sensors based on them have been implemented by doping the base material with atoms of Co, Rh and Sb. Based on simulation results and experimental studies of crystal and electronic structures of thermometric materials and their electro kinetic and magnetic properties by predicting the characteristics of the electrical resistive and thermoelectric temperature sensors have been implemented at the investigated materials. Based on investigated materials electrical resistance and thermoelectric temperature sensors have been implemented and established patterns of conversion functions with stable and reproducible characteristics in the temperature range 4,2÷1500 K.