Preview

Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук

Пашыраны пошук

Полупроводниковые соединения Сu2CoGeS4, Cu2CoGeSe4, Cu2CoSnS4, Cu2CoSnSe4: синтез, структурные, термоэлектрические свойства

https://doi.org/10.29235/1561-8358-2026-71-3-243-254

Анатацыя

Представлены результаты синтеза поликристаллических образцов соединений Сu2CoGeS4, Cu2CoGeSe4, Cu2CoSnS4, Cu2CoSnSe4 и исследования их структурных и термоэлектрических свойств. Для каждого образца определены параметры элементарной ячейки, температура плавления, рассчитаны скорость звука, рентгеновская плотность и температура Дебая. Установлено, что соединения Сu2CoGeS4, Cu2CoSnS4, Cu2CoSnSe4 кристаллизуются в тетрагональной структуре станнита с соотношением a/c ~ 2; Cu2CoGeSe4 – в орторомбической структуре. Термоэлектрические свойства исследованных соединений закономерно изменяются в температурном диапазоне 298–523 К. Коэффициент Зеебека возрастает с температурой для всех соединений, при этом минимальные значения в ряду демонстрирует Cu2CoSnSe4 (135 → 195 мкВ/К), максимальные − Cu2CoGeS4 и Cu2CoSnS4 (307 → 384 мкВ/К соответственно). Удельное электросопротивление монотонно снижается: от 0,92 (Cu2CoSnSe4) − 3,41 (Cu2CoSnS4) Ом · см при 298 К до 0,13 (Cu2CoSnSe4) − 0,35 (Cu2CoSnS4) Ом · см при 523 К. Теплопроводность изменяется с 2,12 (Cu2CoGeSe4) по 3,50 (Cu2CoSnS4) Вт/(м · К) при 298 К и 1,80 (Cu2CoGeSe4) − 3,70 (Cu2CoGeS4) Вт/(м · К) при 523 К. Высокие значения коэффициента Зеебека, низкое электросопротивление и теплопроводность при повышенных температурах указывают на перспективность данных соединений для применения в термоэлектрических преобразователях. Соединения Сu2CoGeS4, Cu2CoGeSe4, Cu2CoSnS4, Cu2CoSnSe4 состоят из нетоксичных и широкодоступных элементов, что отвечает современным требованиям к экологичности термоэлектрических материалов и открывает возможности для их практического использования в термоэлектрических устройствах.

Аб аўтарах

В. Хорошко
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Беларусь


С. Мигалевич
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Беларусь


Е. Лоско
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники; ОАО «НИИЭВМ»
Беларусь


Т. Осмоловская
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники; ГО «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению»
Беларусь


В. Гременок
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники; ГО «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению»
Беларусь


И. Кузьмар
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Беларусь


А. Станчик
ГО «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению»
Беларусь


Спіс літаратуры

1. Research Progress of Thermoelectric Materials – A Review / Jun Wang, Yonggao Yin, Chunwen Che, Mengying Cui // Energies. – 2025. – Vol. 18. – Art. ID 2122. https://doi.org/10.3390/en18082122

2. Snyder, G. J. Complex thermoelectric materials / G. J. Snyder, E. S. Toberer // Nature Materials. – 2008. – Vol. 7, iss. 2. – P. 105–114. https://doi.org/10.1038/nmat2090

3. Bourgès, C. Off-stoichiometry effect on thermoelectric properties of the new p-type sulfides compounds Cu2CoGeS4 / C. Bourgès, R. A. R. Al Orabi, Y. Miyazaki // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – Vol. 826. – Art. ID 154240. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.154240

4. Recent progress in p-type thermoelectric magnesium silicide based solid solutions / J. de Boor, T. Dasgupta, U. Saparamadu [et al.] // Materials Today Energy. – 2017. – Vol. 4. – P. 105–121. https://doi.org/10.1016/j.mtener.2017.04.002

5. Parashchuk, T. Modulated Electronic and Thermal Transport Properties in Cu-Based Diamond-like Chalcogenides by Point Defect Engineering / T. Parashchuk // The Journal of Physical Chemistry: C. – 2025. – Vol. 129, iss. 6. – P. 3272–3284. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c07317

6. Structure Evolution and Bonding Inhomogeneity toward High Thermoelectric Performance in Cu2CoSnS4–xSex Materials / T. Parashchuk, O. Cherniushok, O. Smitiukh [et al.] // Chemistry of Materials. – 2023. – Vol. 35, iss. 12. – P. 4772–4785. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c00586

7. High Thermoelectric Performance in Non-Toxic Earth-Abundant Copper Sulfide / Ying He, T. Day, Tiansong Zhang [et al.] // Advanced Materials. – 2014. – Vol. 26, iss. 23. – P. 3974–3978. https://doi.org/10.1002/adma.201400515.

8. A recent review on waste heat recovery methodologies and applications: Comprehensive review, critical analysis and potential recommendations / O. Farhat, J. Faraj, F. Hachem [et al.] // Cleaner Engineering and Technology. – 2022. – Vol. 6. – Art. ID 100387. https://doi.org/10.1016/j.clet.2021.100387

9. Semiconductor Thermoelements, and Thermoelectric Cooling / A. F. Ioffe, L. Stil’bans, E. K. Iordanishvili [et al.]. – Infosearch, 1958. – 184 p. https://doi.org/10.1063/1.3060810

10. Ultralow Thermal Conductivity in Diamond-Like Semiconductors: Selective Scattering of Phonons from Antisite Defects / B. R. Ortiz, W. Peng, L. C. Gomes [et al.] // Chemistry of Materials. – 2018. – Vol. 30, iss. 10. – P. 3395–3409. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.8b00890

11. A high-efficiency (12.5%) kesterite solar cell realized by crystallization growth kinetics control over aqueous solution based Cu₂ZnSn(S,Se)₄ / Kang Yin, Xiao Xu, Muyu Wang [et al.] // Journal of Materials Chemistry A. – 2022. – Vol. 10, iss. 2. – P. 779–788. https://doi.org/10.1039/D1TA09024K

12. Gulay, L. D. Crystal structures of the compounds Cu2CoSi(Ge, Sn)S4 and Cu2CoGe(Sn)Se4 / L. D. Gulay, O. P. Nazarchuk, I. D. Olekseyuk // Journal of Alloys and Compounds. – 2004. – Vol. 377, iss. 1–2. – P. 306–311. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2004.02.004

13. Multinary diamond-like chalcogenides for promising thermoelectric application / Dan Zhang, Hong-Chang Bai, Zhi-Liang Li [et al.] // Chinese Physics B. – 2018. – Vol. 27, № 4. – Art. ID 047206. https://doi.org/10.1088/1674-1056/27/4/047206

14. Несмеянов, А. Н. Давление пара химических элементов / А. Н. Несмеянов; АН СССР, Отд-ние хим. наук. – М.: Акад. наук СССР, 1961. – 396 с.

15. Lindemann, F. About the Сalculation of Molecular Own Frequencies / F. Lindemann // Physical Magazine. – 1910. – Vol. 11, № 14. – P. 609–612.

16. Cullity, B. D. Elements of X-ray diffraction / B. D. Cullity, S. R. Stock. – Pearson Education Limited, 2013. – 650 p.

17. Porras, G. S. Electrical properties of (CuIn)1−zMn2zTe2 alloys / G. S. Porras, M. Quintero, S. M. Wasim // Journal of Applied Physics. – 1990. – Vol. 67, iss. 7. – P. 3382–3386. https://doi.org/10.1063/1.345349

18. Lattice parameter values and phase transitions for the Cu2-II-IV-S4(Se4) (II = Mn, Fe, Co; IV = Si, Ge, Sn) magnetic semiconductor compounds / M. Quintero, E. Moreno, S. Alvarez [et al.] // Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales. – 2014. – Vol. 34, № 1. – P. 28–38.

19. Raman studies of nearly half-metallic ferromagnetic CoS2 / S. G. Lyapin, A. N. Utyuzh, A. E. Petrova [et al.] // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2014. – Vol. 26, iss. 39. – Art. ID 396001. https://doi.org/10.1088/0953-8984/26/39/396001

20. Smith, A. J. Raman scattering studies of SnS2 and SnSe2 / A. J. Smith, P. E. Meek, W. Y. Liang // Journal of Physics C: Solid State Physics. – 1977. – Vol. 10, № 8. – P. 1321–1323. https://doi.org/10.1088/0022-3719/10/8/035

21. Chandrasekhar, H. R. Pressure dependence of the Raman spectra of the IV-VI layer compounds GeS and GeSe / H. R. Chandrasekhar, R. G. Humphreys, M. Cardona // Physical Review B. – 1977. – Vol. 16, № 6. – Art. ID 2981. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.16.2981

22. Three-dimensional amorphous N-doped cobalt–copper sulfide nanostructures for efficient full water splitting / JinChun He, Ding-Cen Duan, Yun-Cheng Du [et al.] // Rare Metals. – 2025. – Vol. 44, iss. 5. – P. 3080–3093. https://doi.org/10.1007/s12598-024-03035-7

23. Spectroscopic evidence of coexistence of clusters based on low (α) and high temperature (β) GeS₂ crystalline phases in glassy germanium disulfide matrix / V. M. Mitsa, R. M. Holomb, G. Lovas [et al.] // 2014 37th International Convention on Information and Communication Technology, Electronics and Microelectronics (MIPRO): Proceedings. – IEEE, 2014. – P. 7–10. https://doi.org/10.1109/MIPRO.2014.6859522

24. Gürel, T. Characterization of vibrational and mechanical properties of quaternary compounds Cu2ZnSnS4 and Cu2ZnSnSe4 in kesterite and stannite structures / T. Gürel, C. Sevik, T. Çağın // Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics. – 2011. – Vol. 84, iss. 20. – Art. ID 205201. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.205201

25. Srinivasulu, T. Synthesis and characterization of Fe-doped ZnO thin films deposited by chemical spray pyrolysis / T. Srinivasulu, K. Saritha, K. T. R. Reddy // Modern Electronic Materials. – 2017. – Vol. 3, № 2. – P. 76–85. https://doi.org/10.1016/j.moem.2017.07.001

26. Discrimination and detection limits of secondary phases in Cu2ZnSnS4 using X-ray diffraction and Raman spectroscopy / D. M. Berg, M. Arasimowicz, R. Djemour [et al.] // Thin Solid Films. – 2014. – Vol. 569. – P. 113–123. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2014.08.028

27. Vibrational properties of stannite and kesterite type compounds: Raman scattering analysis of Cu2(Fe, Zn)SnS4 / X. Fontané, V. Izquierdo-Roca, E. Saucedo [et al.] // Journal of Alloys and Compounds. – 2012. – Vol. 539. – P. 190–194. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.06.042

28. Ishii, M. Anion distributions and phase transitions in CuS1-xSex (x = 0–1) studied by Raman spectroscopy / M. Ishii, K. Shibata, H. Nozaki // Journal of Solid State Chemistry. – 1993. – Vol. 105, iss. 2. – P. 504–511. https://doi.org/10.1006/jssc.1993.1242

29. Crystal structure and Raman scattering characterization of Cu2Fe1-xCoxSnS4 chalcogenide compounds / F. LópezVergara, A. Galdámez, V. Manríquez, G. González // Solid State Sciences. – 2015. – Vol. 49. – P. 54–60. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2015.09.010

30. Defect characterisation in Cu2ZnSnSe4 kesterites via resonance Raman spectroscopy and the impact on optoelectronic solar cell properties / M. Dimitrievska, F. Oliva, M. Guc [et al.] // Journal of Materials Chemistry A. – 2019. – Vol. 7, iss. 21. – P. 13293–13304. https://doi.org/10.1039/C9TA03625C

31. Phonon Raman spectroscopy of nanocrystalline multinary chalcogenides as a probe of complex lattice structures / V. Dzhagan, A. P. Litvinchuk, M. Ya. Valakh, D. R. T. Zahn // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2023. – Vol. 35, iss. 10. – Art. ID 103001. https://doi.org/10.1088/1361-648X/acaa18

32. Raman scattering crystalline assessment of polycrystalline Cu2ZnSnS4 thin films for sustainable photovoltaic technologies: Phonon confinement model / M. Dimitrievska, A. Fairbrother, A. Pérez-Rodríguez [et al.] // Acta Materialia. – 2014. – Vol. 70. – P. 272–280. https://doi.org/10.1063/1.4861593

33. Vibrational properties of RbInSe2: Raman scattering spectroscopy and first-principle calculations / M. Guc, T. Kodalle, R. R. Kormath Madam Raghupathy [et al.] // The Journal of Physical Chemistry C. – 2019. – Vol. 124, iss. 2. – P. 1285–1291. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b08781

34. The band gap of Cu2ZnSnSe4: Effect of order-disorder / G. Rey, A. Redinger, J. Sendler [et al.] // Applied Physics Letters. – 2014. – Vol. 105, iss. 11. – Art. ID 112106. https://doi.org/10.1063/1.4896315

35. Raman spectrum of monoclinic semiconductor Cu2SnSe3 / G. Marcano, C. Rincón, S. A. López [et al.] // Solid State Communications. – 2011. – Vol. 151, iss. 1. – P. 84–86. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2010.10.015

36. Photodetector based on multilayer SnSe2 field effect transistor / Moonshik Kang, Servin Rathi, Inyeal Lee [et al.] // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. – 2018. – Vol. 18, № 6. – P. 4243–4247. https://doi.org/10.1166/jnn.2018.15189


##reviewer.review.form##

Праглядаў: 10

JATS XML


Creative Commons License
Кантэнт даступны пад ліцэнзіяй Creative Commons Attribution 3.0 License.


ISSN 1561-8358 (Print)
ISSN 2524-244X (Online)