Создание высокоэффективных термоэлектрических преобразователей энергии является одной из актуальных технических задач. Исследование закономерностей изменения магнитной восприимчивости термоэлектрических материалов на основе висмута, сурьмы и теллура в зависимости от количества и типа легирующей примеси дает информацию о состоянии электронной системы кристалла и требует использования высокоточных методов, так как данные материалы обладают малой диамагнитной восприимчивостью (~10-7 см3/г) и высокой анизотропией физических свойств. Для измерения магнитной восприимчивости термоэлектрических материалов на основе висмута, сурьмы и теллура был использован метод Фарадея, основанный на измерении силы, действующей на образец находящийся в неоднородном магнитном поле. При этом градиент магнитного поля не определяется, а измерения магнитного момента ведутся относительным способом: путем сравнения образца с эталонным веществом. Градуировка установки проводилась по соли Радана и соли Мора.
Для реализации метода Фарадея в используемой установке применяются маятниковые весы, конструкция которых предложена Доменикали [1]. В неоднородном магнитном поле на тело с магнитным моментом действует сила, направленная вдоль поля и равная произведению магнитного момента образца на величину градиента поля
Fобр=Mобр 
обр, (1)
где ось ОХ совпадает с направлением 
.
Если образец жестко скреплен с катушкой, через которую пропускается ток IК, создающий магнитный момент противоположный магнитному моменту образца, то можно подобрать величину этого тока таким образом, чтобы скомпенсировать силу, действующую на образец. Таким образом, маятниковые весы вернутся в положение равновесия, если сила FК, действующая на катушку,
FK = Iк NS K (2)
равна по величине и противоположна по направлению силе, действующей на образец Fобр :
FK = -Fобр, где Iк - ток через катушку, N- число витков в катушке, S - площадь сечения витка катушки.
Тогда
Mобр = 
= K NS Iк . (3)
Если градиенты обр и K не зависят от поля, то определяя зависимость Iк(H), можно найти зависимость Мобр(H), а следовательно, и σобр(H), т.к. Mобр= mσобр, где m - масса образца. Коэффициент пропорциональности KNS определяется из градуировки по эталонному образцу. При градуировке снимается зависимость тока компенсации от поля iК (H) для эталона. Перед измерением намагниченности образца необходимо учесть поправку, возникающую от намагниченности пустой катушки с каркасом и контейнера для крепления образца. Для этого сначала снимается зависимость i0(Н) без образца при данной температуре. Таким образом, намагниченность образца определяется по формуле
σобр =
. (4)
Описанная выше методика измерения магнитной восприимчивости термоэлектрических материалов используется в температурном интервале 80-400К. Относительная погрешность весового метода для маятника с внутренней компенсацией при измерениях магнитной восприимчивости диамагнитных образцов составляет 3-4 %.
Описанная методика изучения магнитных свойств вещества использовалась для исследования полевых зависимостей намагниченности и магнитной восприимчивости легированных кристаллов теллурида висмута и сплавов висмут-сурьма. Магнитная восприимчивость χ кристаллов теллурида висмута определялась в двух конфигурациях, при ориентации вектора напряженности магнитного поля Н параллельно (χ║) и перпендикулярно (χ┴) плоскости скола кристалла, Н┴С и Н║С соответственно. Результаты исследования магнитной восприимчивости χ║ и χ┴ кристаллов Bi2Te3 и твердых растворов Bi2Te3- Bi97Sb3Sn0.02 приведены в таблице.
Таблица 1. Результаты исследования магнитной восприимчивости χ║ и χ┴ кристаллов Bi2Te3 и твердых растворов Bi2Te3- Bi97Sb3Sn0.02
| Образец | χ ║ * 106, (см3/г) | χ┴ * 106, (см3/г) |
| Bi97Sb3Sn0.02(1) | -1,495 | -1,015 |
| Bi97Sb3Sn0.02(2) | -1,495 | -1,065 |
| Bi2Te3 | -0,418 | -0.628 |
| Bi2Te3 с избытком Sn | -0,336 | -0,511 |
| Bi2Te3 с избытком Te |
| -0,581 |
| Bi2Te3+Te+SbJ3 | -0,353 | -0,472 |
Как видно из данных приведенных в таблице, все исследованные составы являются диамагнетиками с ярко выраженной анизотропией магнитной восприимчивости. Необходимо отметить, что полученные нами значения магнитной восприимчивости для нелегированных кристаллов Bi2Te3 по величине согласуются с данными, приведенными в работе [2].
Литература:
1. В. И. Чечерников. Магнитные измерения. М., МГУ, 1963, 212 с.
2. Б.М. Гольцман. Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе Вi2Te3. М., Наука. 1972, 321с.
Работа представлена на научную международную конференцию «Технологии 2007», г. Кемер (Турция), 21-28 мая 2007 г. Поступила в редакцию 08.10.07г.