Research on a New Semiconductor Thermoelectric Material n-Zr1-xNbxNiSn. I. Experimental Results

В.А. Ромака; Ю.В. Стадник; Л.П. Ромака; А.М. Горинь; А.В. Зелінський; В.З. Пашкевич

doi:10.63527/1607-8829-2026-1-5-16

Дослідження нового напівпровідникового термоелектричного матеріалу n-Zr1-xNbxNiSn. I. Результати експерименту

Автор(и)

В.А. Ромака Національний університет “Львівська політехніка” https://orcid.org/0000-0002-2984-9513
Ю.В. Стадник Львівський національний університет ім. І. Франка https://orcid.org/0000-0003-0692-2973
Л.П. Ромака Львівський національний університет ім. І. Франка https://orcid.org/0000-0001-5793-4435
А.М. Горинь Львівський національний університет ім. І. Франка https://orcid.org/0000-0003-3483-8808
А.В. Зелінський Львівський національний університет ім. І. Франка https://orcid.org/0000-0001-8473-1174
В.З. Пашкевич Національний університет “Львівська політехніка” https://orcid.org/0000-0002-6849-652X

DOI:

https://doi.org/10.63527/1607-8829-2026-1-5-16

Ключові слова:

термоелектричний матеріал, напівпровідник, електронна структура, електроопір, коефіцієнт термо-ерс, термоелектрична добротність

Анотація

Досліджено структурні, електрокінетичні, енергетичні та магнітні властивості нового напівпровідникового термоелектричного матеріалу n-Zr_1-xNb_xNiSn, х = 0–0.07, отриманого легуванням n-ZrNiSn атомами Nb (4d⁴5s¹) шляхом заміщення атомів Zr (4d²5s²). Встановлено природу генерованих енергетичних станів та механізмів електропровідності. Показано, що в структурі n-Zr_1-xNb_xNiSn відбувається одночасне заміщення у різних співвідношеннях атомів Zr на атоми Nb, а також зайняття атомами Nb тетраедричних пустот структури. Зменшення періоду комірки а(х) n-Zr_1-xNb_xNiSn за концентрацій 0 < х ≤ 0.05 викликане переважним частковим заміщення атомів Zr (r_Zr= 0.1602 нм) на атоми Nb (r_Nb= 0.1468 нм), а збільшення періоду а(х) за 0.05 < х – переважним зайняттям атомами Nb тетраедричних пустот структури. Структурні перетворення n-Zr_1-xNb_xNiSn генерують два сорти дефектів донорної природи та відповідні енергетичні стани забороненої зони ε_g, що відповідає умові отримання максимальної ефективності перетворення теплової енергії в електричну. Показано, що напівпровідник n-Zr_1-xNb_xNiSn є перспективним термоелектричним матеріалом.

Посилання

1. Romaka V.A., Pashkevych V.Z., Romaka L.P., Stadnyk Yu.V., Romaka V.V., Kovtun S.I., Horyn A.M. (2025). New thermoelectric materials based on half-Husler phases. Publishing House of Lviv Polytechnic National University, 628 p. DOI: https://ena.lpnu.ua/handle/ntb/111829.

2. Arachchige V.G., Recalcati S., Rossa J., Yoon S., Skokov K., Radulov I., Klemenz S. (2025). Thermoelectric properties of electro-sinter forged ZrNiSn. J. Alloys Compd. 1045, 184694. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.184694

3. Berry T., Fu Ch., Auffermann G., Fecher G.H., Schnelle W., Serrano-Sanchez F., Yue Y., Liang H., Felser C. (2017). Enhancing thermoelectric performance of TiNiSn half-Heusler compounds via modulation doping. Chem Mater. 29 (16), 7042-7048. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b02685

4. Du N.V., Nam W.H., Cho J.Y., Binh N.V., Huy P.T., Trung D.Q., Tuan D.A., Shin W.H., Lee S. (2021). Enhanced thermoelectric properties of Hf-free half-Heusler compounds prepared via highly fast process. J. Alloys Compd. 886, 161293. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161293.

5. Anatychuk L.I. (1998). Thermoelectricity. Physics of thermoelectricity, Institute of Thermoelectricity, Kyiv, Chernivtsi, Vol. 1, 376 p.

6. Romaka V.A., Fruchart D., Stadnyk Yu.V., Tobola J., Gorelenko Yu.K., Shelyapina M.G., Romaka L.P., Chekurin V.F. (2006). Conditions for attaining the maximum values of thermoelectric power in intermetallic semiconductors of the MgAgAs structural type. Semiconductors, 40 (11), 1275–1281. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063782606110054.

7. Romaka V.A., Rogl P., Stadnyk Yu.V., Hlil E.K., Romaka V.V., Horyn A.M. (2012). Features of Conductivity of the Intermetallic Semiconductor n-ZrNiSn Heavily Doped with a Bi Donor Impurity. Semiconductors, 46 (7), 887–893. DOI: 10.1134/S1063782612070172.

8. Romaka V.A., Stadnyk Yu.V., Romaka L.P., Horyn A.M., Romaka V.V., Haraniuk P.I. (2025). Research of Thermoelectric Material Ti1-xNbxNiSn. Journal of Thermoelectricity, №1, 5–15. DOI: 10.63527/1607-8829-2025-1-5-15.

9. Romaka L., Stadnyk Yu., Romaka V.A., Horyn A., Romaka V.V., Demchenko P., Haranyuk P. (2025). Research on a new thermoelectric material obtained by doping of n-HfNiSn with Nb atoms. Physics and Chemistry of Solid State, 26 (4), 787–793. DOI: 10.15330/pcss.26.4.787-793.

10. Romaka V.A., Stadnyk Yu.V., Romaka V.V., Fruchart D., Gorelenko Yu.K., Chekurin V.F., Goryn A.M. (2007). Features of electrical conductivity in the n-ZrNiSn intermetallic semiconductor heavily doped with the In acceptor impurity. Semiconductors, 41 (9), 1041–1047. DOI: 10.1134/S1063782607090072.

11. Akselrud L., Grin Yu. (2014). WinCSD: software package for crystallographic calculations (Version 4). J. Appl. Crystallogr., 47, 803805. DOI: https://doi.org/10.1107/S1600576714001058.

12. Stadnyk Yu.V., Romaka L.P., Goryn A.M., Tatomyr Ya.T., Skolozdra R.V. (1997). Electrophisical and magnetic properties of solid solutions Zr1-xNbxNiSn and Zr1-xMoxNiSn. Journal of Thermoelectricity, №1, 56–61.

13. Shklovskii B.I. and Efros A.L. (1984). Electronic properties of doped semiconductors. Berlin, Heidelberg, NY, Tokyo, Springer-Verlag, 388 p. DOI: 10.1007/978-3-662-02403-4.

14. Mott N.F. and Davis E.A. (2012). Electron processes in non-crystalline materials. Oxford, Clarendon Press, 590 p. DOI: https://doi.org/10.1002/crat.19720070420.

##submission.downloads##

PDF (English)

Як цитувати

Ромака, В., Стадник, Ю., Ромака, Л., Горинь, А., Зелінський, А., & Пашкевич, В. (2026). Дослідження нового напівпровідникового термоелектричного матеріалу n-Zr1-xNbxNiSn. I. Результати експерименту. Термоелектрика, (1), 5–16. https://doi.org/10.63527/1607-8829-2026-1-5-16