Российские ученые получили новые магнетокалорические и термоэлектрические материалы

Химики из МГУ имени М.В. Ломоносова получили новые вещества, которые могут стать основой для создания новых магнетокалорических и термоэлектрических материалов. Ими стали соединения железа с сильными электронными корреляциями. Исследование выполнено сотрудниками кафедры неорганической химии МГУ при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ), результаты были представлены на конференции грантодержателей РНФ «Фундаментальные химические исследования XXI века».


Магнетокалорические материалы способны обеспечивать охлаждение, благодаря чему становится возможной работа сверхпроводящих устройств при очень низких температурах, которые иначе требуют использования дорогостоящего жидкого гелия. Термоэлектрические материалы могут быть использованы при генерации электрического тока из тепловой части солнечного излучения или отработанного тепла автомобилей. Широкому применению магнетокалорических и термоэлектрических материалов препятствует их относительно низкая эффективность, однако они могут быть незаменимы в условиях, когда доставка «традиционной» энергии может оказаться куда затратнее, чем использование альтернативных низкоэффективных источников для ее получения.

Сотрудники лаборатории направленного неорганического синтеза получили и охарактеризовали новые соединения, имеющие сложную слоистую структуру, состоящие из железа с германием, мышьяком и теллуром — Fe3-δGeTe2 и Fe3-δAs1-yTe2, а также твердые растворы на основе природного минерала тетраэдрита Cu12-xFexSb4S13 и на основе интерметаллида FeGa3. Химики изучили особенности кристаллического и электронного строения этих соединений, а также возможность магнитного упорядочения в них. На основании полученных данных им удалось установить взаимосвязь между составом, строением и функциональными свойствами изучаемых систем.

«Началось все c возникновения некоторого понимания, основанного на научном представлении о том, что если мы движемся по периодической таблице Менделеева и рассматриваем характеристики атомов — энергетическую разницу между орбиталями атомов переходных металлов, числом электронов на них и особенностью орбитального перекрывания с атомами элементов р-блока. Тогда становится ясно: где-то в районе марганца, железа и кобальта наступает некий компромисс, который выражается в образовании соединений с сильными электронными корреляциями за счет особенностей орбитального взаимодействия. В результате таких электронных корреляций возможно возникновение значительной термоэлектрической добротности, или высокого магнетокалорического эффекта, в определенных типах соединений, которые можно охарактеризовать как интерметаллиды и подобные фазы», – прокомментировал выбранное направление исследований руководитель гранта РНФ, профессор, заведующий кафедрой неорганической химии МГУ, доктор химических наук Андрей Шевельков.

Полученные материалы продемонстрировали перспективные функциональные свойства: магнетокалорические соединения на основе слоистых теллуридов и арсенидов железа – высокие значения изменения удельной магнитной энтропии при температуре фазового перехода, а термоэлектрические материалы на основе тетраэдрита и интерметаллидов – высокие значения термоэлектрической добротности в среднетемпературном диапазоне. Эти характеристики позволят разработать материалы для охлаждения сред до сверхнизких температур и термоэлектрической генерации тока.

Результаты работы опубликованы в международных высокорейтинговых журналах, таких как Chemistry of Materials, Inorganic Chemistry и Journal of Solid State Chemistry.