Radiation-induced Tuning of Magnetoelectric and Cryogenic Transport Properties in Zro2 -doped Bi0.85sb0.15 SOLID Solutions

ملخص تقني: الضبط الناجم عن الإشعاع للخصائص الكهرومغناطيسية والنقل المبرد في المحاليل الصلبة من Bi0.85Sb0.15 المطعمة بـ ZrO2

بيان المشكلة
تُعد المحاليل الصلبة من البزموت-الأنتيمون (Bi-Sb) مواد راسخة لتحويل الطاقة المبرد والتبريد في الحالة الصلبة نظرًا لثغرات النطاق الصغيرة وحركية حاملات الشحنة العالية تحت 150 كلفن. ومع ذلك، فإن تطبيقها في البيئات القاسية، مثل استكشاف الفضاء والهندسة النووية، يتطلب مواد تحافظ على أدائها تحت تأثير الإشعاع المؤين المكثف. وبينما يمكن أن يؤدي إدخال أطوار ثانوية نانوية النطاق (مثل ثاني أكسيد الزركونيوم، ZrO2) إلى فصل النقل الكهربائي والحراري لتحسين الكفاءة الكهروحرارية، فإن التأثيرات التآزرية للجمع بين تعديل ZrO2، وتطعيم التيلوريوم (Te)، وإشعاع أشعة غاما، على الخصائص الكهرومغناطيسية وخصائص النقل لسبائك Bi-Sb المبثوقة لا تزال غير مستكشفة إلى حد كبير. تعالج هذه الدراسة الفجوة في فهم كيفية تفاعل التعرض الإشعاعي المتحكم فيه مع التعديلات الهيكلية النانوية الموجودة مسبقًا لتغيير ديناميكيات العيوب وآليات تشتت الحاملات.

المنهجية
استخدم البحث عناصر عالية النقاء من Bi وSb وTe لتخليق محلول صلب من Bi0.85Sb0.15 مطعم بـ 0.0001 at% من Te (تم تحقيقه عبر تخفيف سبيكة أم بنسبة 0.1 at% من Te). تم تعديل هذه المصفوفة بـ 1 wt% من جسيمات ZrO2 النانوية المصنعة كيميائيًا بالبلازما (~50 nm). تمت معالجة المركبات عبر البثق الساخن عند 475 كلفن تحت ظروف التشوه فوق البلاستيكي (نسبة سحب λ=25) لإنتاج قضبان عالية التوجيه.

خضعت العينات لإشعاع أشعة غاما من مصدر 60Co عند جرعات ممتصة بلغت 1 Mrad و10 Mrad و50 Mrad. اعتمدت الدراسة نهج توصيف متعدد الأوجه:

• التحليل الهيكلي: تم استخدام حيود الأشعة السينية (XRD) مع تنقية ريليت (Rietel refinement) ومجهر القوة الذرية ثلاثي الأبعاد (3D AFM) لتتبع تطور حجم البلورات، ومعاملات الشبكة، وتضاريس السطح.
• التحليل الاهتزازي: قيمت مطيافية رامان (200–3700 cm⁻¹) سلامة الشبكة، والأنماط المنشطة بالعيوب، واستقرار الطور.
• قياسات النقل: تم قياس الموصلية الكهربائية ($\sigma$)، ومعامل سيبك ($\alpha$)، ومعامل هول ($R_H$)، والموصلية الحرارية الكلية ($\chi$) بشكل متزامن على طول محور البثق في نطاق درجات الحرارة 77–300 كلفن تحت مجالات مغناطيسية تصل إلى 740 kA/m.

النتائج الرئيسية

• التطور الهيكلي والمورفولوجي: كشف تحليل XRD عن انخفاض معتمد على الجرعة في حجم البلورات (من 96 nm في العينات الأصلية إلى 65 nm عند 50 Mrad) وتوسع القمم، مما يشير إلى تدهور في المثالية البلورية ناتج عن الإشعاع دون تغييرات جوهرية في معاملات الشبكة. أظهرت تضاريس AFM استجابة ثنائية النمط:
  • الجرعة المنخفضة (1 Mrad): أدت إلى تنعيم نتوءات السطح واسترخاء الإجهاد المجهري عبر هجرة عيوب النقاط إلى واجهات ZrO2.
  • الجرعة العالية (10–50 Mrad): حفزت تكثف العيوب، وتكوين هياكل حافة اتجاهية، وتفتت سطحي شديد.
• النقل الكهربائي والحركية: لوحظت استجابة غير رتيبة لجرعة الإشعاع عند درجات الحرارة المبردة (77 كلفن).
  • تأثير الجرعة المنخفضة: عند 1 Mrad، زادت الموصلية الكهربائية ($\sigma$) بشكل ملحوظ (من 6704 إلى 7598 $\Omega^{-1}cm^{-1}$)، وارتفعت حركية هول ($\mu_H$) من 52,962 إلى 218,063 cm²/V·s. يُعزى هذا التعزيز إلى توليد عيوب من نوع المستقبل (سالبة الشحنة) التي تعادل جزئيًا الأنوية الأيونية موجبة الشحنة، مما يثبط تشتت الشوائب.
  • تأثير الجرعة العالية: عند جرعات 10–50 Mrad، انخفضت حركية الحاملات بشكل رتيبة (مع شذوذ طفيف عند 10 Mrad) حيث بدأت عيوب الإشعاع في حبس الحاملات الحرة، مما قلل من كثافة الحاملات والموصلية.
• النقل الحراري: تم تفكيك الموصلية الحرارية الكلية ($\chi$) إلى مكونات إلكترونية ($\chi_e$) وشبكية ($\chi_l$). عند 77 كلفن، يهيمن نقل الحرارة بواسطة فونونات الشبكة (~67–85%). أدى الإشعاع عالي الجرعة (50 Mrad) إلى زيادة الموصلية الحرارية الكلية، مدفوعًا بشكل أساسي بتعزيز في المكون الشبكي ($\chi_l$) بسبب إعادة ترتيب العيوب وتجانس مجال الإجهاد.
• الاستجابة الكهرومغناطيسية: في المجالات المغناطيسية الضعيفة، أظهرت العينات غير المشعة مقاومة مغناطيسية أعلى من العينات المشعة. ومع ذلك، فإن التفاعلات المستحثة بالإشعاع بين عيوب النقاط وشبكات الخلوع قللت من الإجهادات المجهرية الداخلية، مما أدى إلى استقرار الاستجابة الكهرومغناطيسية عبر النطاق المبرد.

الأهمية والادعاءات
يزعم البحث أن الإشعاع بأشعة غاما المتحكم فيه، عند دمجه مع تشتت ZrO2، يعمل كأداة فعالة لـ "هندسة العيوب" في المواد الكهروحرارية المبردة من نوع Bi-Sb. توضح الدراسة أن الإشعاع منخفض الجرعة يمكن استخدامه لضبط خصائص النقل عن طريق توليد أنواع محددة من العيوب (المستقبلات) التي تعادل مراكز التشتت، مما يعزز حركية الحاملات دون إضعاف الاستقرار الطوري الهيكلي للمادة. وعلى العكس من ذلك، تؤدي الجرعات العالية إلى تكتل العيوب الذي يغير آليات التشتت ويزيد من الموصلية الحرارية الشبكية. توفر هذه النتائج مسارًا لتطويع سلوك النقل عند درجات الحرارة المنخفضة لمحاليل البزموت-أنتيمون من خلال التطبيق المشترك لتعديل الجسيمات النانوية وهندسة الإشعاع، مما يقدم رؤى لتحسين المواد المخصصة للبيئات الغنية بالإشعاع.