In this work, a comprehensive study of the phase equilibria, crystal structure, and thermoelectric properties of the Tb-Bi-Te system was carried out. The relevance of this research is determined by the widespread use of bismuth tellurides as efficient thermoelectric materials, as well as the possibility of modifying their properties through the incorporation of rare-earth elements. The samples were synthesized by the ampoule method under vacuum at temperatures up to 1000 K. The phase composition and structure were investigated using X-ray diffraction and differential thermal analysis. The formation of solid solutions based on Bi₂Te₃ and intermediate phases was established. It was shown that doping with terbium leads to changes in the lattice parameters and enhances the thermoelectric characteristics. The obtained results are of interest for the development of new functional materials.

Keywords: Tb-Bi-Te, phase equilibria, thermoelectric materials, tellurides, rare-earth elements, semiconductors

Введение

Современные исследования в области функциональных материалов направлены на создание эффективных термоэлектрических систем, способных обеспечивать прямое преобразование тепловой энергии в электрическую [1–3]. Наиболее перспективными среди них являются соединения на основе теллурида висмута, характеризующиеся высокой термоэлектрической добротностью вблизи комнатной температуры [4, 5].

Одним из подходов к улучшению свойств данных материалов является легирование редкоземельными элементами, что позволяет регулировать концентрацию носителей заряда, изменять фононную теплопроводность и влиять на дефектную структуру [6–8]. Введение тербия представляет особый интерес, поскольку он может участвовать в формировании сложных фаз и влиять на электронную структуру соединений.

Несмотря на значительное количество исследований бинарных систем Bi-Te и Tb-Te, тройная система Tb-Bi-Te изучена недостаточно полно. Отсутствие систематических данных о фазовых равновесиях и свойствах ограничивает возможности практического применения этих материалов.

В связи с этим целью настоящей работы является установление закономерностей фазообразования, изучение кристаллической структуры и оценка термоэлектрических свойств соединений системы Tb-Bi-Te.

Экспериментальная часть

Синтез образцов проводился методом твердофазной реакции с использованием высокочистых элементов: Tb (99,9 %), Bi (99,999 %) и Te (99,999 %). Исходные компоненты взвешивались в заданных стехиометрических соотношениях с точностью до ±0,001 г.

Полученные смеси помещались в кварцевые ампулы, которые вакуумировались до остаточного давления порядка 10⁻³ Па и герметично запаивались. Термическая обработка проводилась в печи с программируемым режимом нагрева: образцы выдерживались при температуре 950–1000 К в течение 24–48 часов для обеспечения гомогенизации, после чего охлаждались со скоростью 50 К/ч до 500 К и далее до комнатной температуры.

Фазовый анализ выполнялся методом рентгеновской дифракции (XRD) с использованием CuKα-излучения. Идентификация фаз проводилась с применением баз данных PDF-2. Термические эффекты исследовались методом дифференциального термического анализа (DTA) в диапазоне температур 300–1100 К.

Микроструктура изучалась с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). Электрическая проводимость и коэффициент Зеебека измерялись стандартными методами в диапазоне температур 300–600 К.

Результаты и обсуждение

Анализ рентгенограмм показал, что в системе Tb-Bi-Te формируются твердые растворы на основе фазы Bi₂Te₃, а также ряд промежуточных соединений. При малых концентрациях Tb наблюдается его растворение в кристаллической решетке Bi₂Te₃ с незначительным изменением параметров элементарной ячейки.

С увеличением содержания Tb фиксируется появление дополнительных фаз, что указывает на ограниченную растворимость и образование многофазных областей. Изменение параметров решетки свидетельствует о частичном замещении атомов Bi атомами Tb, что приводит к возникновению локальных искажений структуры.

Результаты дифференциального термического анализа выявили наличие эндотермических и экзотермических эффектов, соответствующих фазовым переходам и реакциям взаимодействия компонентов. Температуры этих эффектов хорошо согласуются с данными для аналогичных систем [9–11].

Исследование микроструктуры показало неоднородное распределение фаз в образцах с высоким содержанием Tb. Образование мелкодисперсных включений способствует рассеянию фононов, что может приводить к снижению теплопроводности.

Измерения электропроводности показали полупроводниковый характер поведения всех образцов. При увеличении концентрации Tb наблюдается уменьшение электропроводности, что связано с увеличением концентрации дефектов и снижением подвижности носителей заряда. [12–15].

Коэффициент Зеебека во всех случаях имеет положительное значение, что свидетельствует о дырочном типе проводимости. При этом добавление Tb приводит к увеличению величины коэффициента Зеебека, что является благоприятным фактором для повышения термоэлектрической эффективности.

Таким образом, можно заключить, что легирование тербием оказывает комплексное влияние на структуру и свойства системы Tb-Bi-Te, позволяя оптимизировать её параметры для практического применения.

Заключение

В результате проведенного исследования установлены основные закономерности фазообразования в системе Tb-Bi-Te. Выявлены области существования твердых растворов и промежуточных фаз.

Показано, что введение Tb приводит к изменению кристаллической структуры, формированию дефектов и существенному влиянию на электрофизические характеристики материалов. Установлено увеличение коэффициента Зеебека при легировании, что подтверждает перспективность данной системы для термоэлектрических применений.

Полученные результаты могут служить основой для дальнейших исследований и разработки новых высокоэффективных материалов.

Литература:

1. Goldsmid H. J. Introduction to Thermoelectricity // Springer, 2010.
2. Rowe D. M. Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano // CRC Press, 2006.
3. Snyder G. J., Toberer E. S. Complex thermoelectric materials // Nat. Mater., 2008. Vol. 7, pp. 105–114. DOI:10.1038/nmat2090
4. Poudel B., Hao Q., Ma Y., et al. High thermoelectric performance of nanostructured Bi₂Te₃ // Science, 2008. Vol. 320, pp. 634–638. DOI:10.1126/science.1156446
5. Heremans J. P., Jovovic V., Toberer E. S., et al. Enhancement of thermoelectric efficiency in PbTe by distortion of the electronic density of states // Science, 2008. Vol. 321, pp. 554–557. DOI:10.1126/science.1159725
6. Aliyev Kazim Aziz, Mammadova Saadat Osman. Study of the Tb–Sb–Se ternary system and preparation of alloys based on it // Proceedings of VI International Scientific and Practical Conference Berlin, Germany 26–28 January 2026
7. Zhao L. D., Lo S. H., Zhang Y., et al. Ultralow thermal conductivity and high thermoelectric figure of merit in SnSe crystals // Nature, 2014. Vol. 508, pp. 373–377. DOI:10.1038/nature13184
8. Tritt T. M. Thermoelectric phenomena, materials, and applications // Annu. Rev. Mater. Res., 2011. Vol. 41, pp. 433–448.
9. Маммадова Cаадат Oсман, Алиев Казим Азиз, Султанова Айтен Низами, Фазовые равновесия и термодинамические особенности системы ZnTe–Gd₂Te₃// Международный Научно-Практический Журнал Endless Light In Science Endless Light In Science. No 2. 28 Февраля 2026 Астана, Казахстан.
10. Mahan G. D. Good thermoelectrics // Solid State Phys., 1998. Vol. 51, pp. 81–157.
11. Dresselhaus M. S., Chen G., Tang M. Y., et al. New directions for low‑dimensional thermoelectric materials // Adv. Mater., 2007. Vol. 19, pp. 1043–1053. DOI:10.1002/adma.200600527
12. Sootsman J. R., Chung D. Y., Kanatzidis M. G. New and old concepts in thermoelectric materials // Angew. Chem. Int. Ed., 2009. Vol. 48, pp. 8616–8639. DOI:10.1002/anie.200900598
13. Pei Y., LaLonde A., Iwanaga S., Snyder G. J. Convergence of electronic bands for high performance bulk thermoelectrics // Nature, 2011. Vol. 473, pp. 66–69. DOI:10.1038/nature09996
14. Tan G., Shi F., Hao S., et al. Non‑equilibrium processing and enhanced thermoelectric performance of p‑type half‑Heuslers // Chem. Rev., 2016. Vol. 116, pp. 12110–12153. DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00339
15. He J., Girard S. N., Dravid V. P., Kanatzidis M. G. Advances in thermoelectric materials research: Looking back and moving forward // Adv. Funct. Mater., 2017. Vol. 27, 1702266. DOI:10.1002/adfm.201702266