journal-opt - abstr167-177

https://doi.org/10.15407/iopt.2025.60.167

Optoelektron. napìvprovìd. teh. 60, 167-177 (2025)

S. M. Levytskyi, V. V. Minakov, V. V. Taranov, A. T. Voroshchenko, O. V. Stronsky

PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF SOLID SOLUTIONS BASED ON LEAD AND GALLIUM CHALCOGENIDES

This article investigates the physical-chemical properties of lead and gallium chalcogenide solid solutions, specifically Pb1-xGaxTe and Pb1-xGexTe, which are crucial for the advancement of thermoelectric devices. The research is motivated by the escalating global demand for alternative energy sources and energy-saving technologies, particularly for autonomous power systems (space, oceanographic, meteorological stations) and compact cooling/heating applications. The study aimed to examine the parameters of these compounds, optimize their synthesis, and broaden their application scope, with an emphasis on reducing manufacturing costs and complexity. The synthesis of Pb1-xGexTe was conducted in an oscillating furnace using high-purity components and controlled pressure, effectively addressing conductivity instability issues stemming from non-uniform germanium distribution and an anomalous temperature dependence of the equilibrium constant. The resulting Pb1-xGexTe (x<0.1) samples exhibited stable n-type conductivity with a thermo-EMF coefficient of 300 µV/K and significantly enhanced mechanical strength. For Pb1-xGaxTe, the donor effect of gallium was established: at concentrations up to 0.5 mol.% GaTe, a sharp decrease in electrical conductivity and a change in thermo-EMF sign were observed, attributed to gallium atoms substituting lead vacancies. At higher concentrations (>0.5 mol.% GaTe), the predominant mechanism involves the substitution of single-charged gallium ions into octahedral voids and the incorporation of triple-charged ions into interstitial sites, further reducing cationic sublattice vacancies and hole concentration. The findings substantially advance the understanding of defect chemistry and conduction mechanisms in these materials, paving the way for the development of high-performance thermoelectric devices with improved operational characteristics.

Keywords: Pb1-xGaxTe, Pb1-xGexTe, lead chalcogenides, thermoelectric materials.

PDF

References

1. H. Pascher and G. Bauer, Lead Chalcogenides: Physics and Applications Taylor & Francis, New York, 2003, Vol. 18.

2. Khokhlov, D. (2021). Lead Chalcogenides: Physics and Applications, New York. https://doi.org/10.1201/9780203749081

https://doi.org/10.1201/9780203749081

3. Yu. I. Ravich, B. A. Efimova, and I. A. Smirnov, Semiconducting Lead Chalcogenides, ed. L. S. Stil'bans (Plenum Press, New York, 1970)

https://doi.org/10.1007/978-1-4684-8607-0

4. R. Dalven, in Solid State Physics, ed. H. Ehrenreich, F. Seitz, and D. Turnbull, Vol. 28 (Academic Press, New York, 1973)

5. A. Rogalski, HgCdTe infrared detector material: history, status and outlook. Rep. Prog. Phys. 68, 2267-2336 (2005). doi:10.1088/0034-4885/68/10/R01

https://doi.org/10.1088/0034-4885/68/10/R01

6. R. Dornhaus, G. Nimtz, and B. Schlicht, Narrow-Gap Semiconductors Springer-Verlag, Berlin, 1985

7. Semiconductors: Group IV Elements, IV-IV and III-IV Compounds, Landolt-Börnstein, New Series, Group III, Vol. 41, Pt. A, edited by O. Madelung, U. Rössler, and M. Schulz SpringerVerlag, Berlin, 2005

С. M. Левицький, В. В. Мінаков, В. В. Таранов, А. Т. Ворощенко, О. В. Стронський

ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ТВЕРДИХ РОЗЧИНІВ НА ОСНОВІ ХАЛЬКОГЕНІДІВ СВИНЦЮ ТА ГАЛІЮ

У статті досліджено фізико-хімічні властивості твердих розчинів на основі халькогенідів свинцю та галію, зокрема Pb1-xGaxTe та Pb1-xGexTe, що є критично важливими для розвитку термоелектричних пристроїв. Робота мотивована зростаючою глобальною потребою в альтернативних джерелах енергії та енергозберігаючих технологіях, особливо для автономних систем живлення (космічні, океанологічні, метеорологічні станції) та компактних охолоджуючих/нагрівальних пристроїв. Метою дослідження було вивчення параметрів цих сполук, оптимізація їх синтезу та розширення області застосування, приділяючи увагу зниженню вартості та трудомісткості виготовлення. Синтез Pb1-xGexTe проводився у коливній печі з використанням високочистих компонентів та контрольованого тиску, що дозволило подолати проблеми нестабільності провідності, пов'язані з нерівномірним розподілом германію та аномальною залежністю константи рівноваги від температури. Отримані зразки Pb1-xGexTe (x<0.1) продемонстрували стабільний n-тип провідності з коефіцієнтом термо-ЕРС 300 мкВ/К та значно покращену механічну міцність. Для Pb1-xGaxTe встановлено донорну дію галію: при вмісті до 0.5 мол.% GaTe спостерігається різке зменшення електропровідності та зміна знаку термо-ЕРС, що пояснюється заміщенням атомами галію вакансій свинцю. При вищих концентраціях (>0.5 мол.% GaTe) переважає заміщення однозарядженими іонами галію октаедричних порожнин та вкорінення тризаряджених іонів у міжвузля, що обумовлює подальше зменшення вакансій у катіонній підгратці та концентрації дірок. Результати дослідження суттєво поглиблюють розуміння дефектної хімії та механізмів провідності в цих матеріалах, відкриваючи перспективи для розробки високоефективних термоелектричних пристроїв з покращеними експлуатаційними характеристиками.

Ключові слова: Pb1-xGаxTe, Pb1xGеxTe, халькогеніди свинцю, термоелектричні матеріали.

Back / Повернутися