Tác động rõ rệt của các nanoinclusion ZnTe lên tính chất nhiệt điện của hợp chất chalcogen Cu2−x Se

Science China Materials - Tập 59 - Trang 135-143 - 2016
Muhammad Umer Farooq1, Sajid Butt2,3, Kewei Gao1, Xigui Sun1, XiaoLu Pang1, Asif Mahmood4, Waqar Mahmood5, Sajid U. Khan2, Nasir Mahmood6
1School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing, China
2Department of Materials Science and Engineering, Institute of Space Technology, Islamabad, Pakistan
3State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing, China
4Department of Material Science and Engineering, College of Engineering, Peking University, Beijing, China
5Department of Physics, Thin Film Technology (TFT) Research Laboratory, COMSATS Institute of Information Technology, Islamabad, Pakistan
6Institute of Superconducting and Electronic Materials, Australian Institute of Innovative Materials, University of Wollongong, North Wollongong, Australia

Tóm tắt

Các chalcogen kim loại, đặc biệt là Cu2−x Se, đã thu hút được sự chú ý lớn trong cộng đồng nghiên cứu về nhiệt điện nhờ vào cấu trúc tinh thể phức tạp và hành vi siêu ion của nó. Trong nghiên cứu này, chúng tôi báo cáo một phương pháp đơn giản nhằm cải thiện hiệu suất nhiệt điện bằng cách đưa vào các nanoinclusion ZnTe vào ma trận Cu2−x Se. Kết quả cho thấy sự cải thiện đáng kể 32% trong độ dẫn điện của composite Cu2−x Se-ZnTe. Sự gia tăng độ dẫn điện xảy ra với sự đánh đổi của hệ số Seebeck, điều này đã làm giảm nhẹ hệ số công suất của các mẫu composite so với Cu2−x Se tinh khiết. Hơn nữa, việc bổ sung pha thứ cấp giúp giảm tổng độ dẫn nhiệt của composite Cu2−x Se-ZnTe tới 34% bằng cách подавить các đóng góp nhiệt của mạng tinh thể. Do đó, giá trị hệ số công suất vừa phải cùng với độ dẫn nhiệt thấp dẫn đến giá trị chỉ số hiệu suất (zT) cải thiện lên khoảng 0.40 ở nhiệt độ trung bình (750 K) cho composite Cu2−x Se-ZnTe với 10 wt.% ZnTe, cao hơn khoảng 40% so với mẫu tinh khiết. Do đó, có lý do để tin rằng việc tích hợp các nanoinclusion ZnTe vào ma trận của Cu2−x Se có thể là một phương thức quan trọng để cải thiện các tính chất nhiệt điện của các hợp chất dựa trên Cu2−x Se.

Từ khóa

#thermoelectric #Cu2−x Se #ZnTe #electrical conductivity #Seebeck coefficient #thermal conductivity #figure of merit

Tài liệu tham khảo

Dresselhaus MS, Chen G, Tang MY, et al. New directions for low-dimensional thermoelectric materials. Adv Mater, 2007, 19: 1043–1053 Hochbaum AI, Chen R, Delgado RD, et al. Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires. Nature, 2008, 451: 163–167 Boukai AI, Bunimovich Y, Tahir-Kheli J, et al. Silicon nanowires as efficient thermoelectric materials. Nature, 2008, 451: 168–171 Butt S, Xu W, He WQ, et al. Enhancement of thermoelectric performance in Cd-doped Ca3Co4O9via spin entropy, defect chemistry and phonon scattering. J Mater Chem A, 2014, 2: 19479–19487 Butt S, Xu W, Farooq MU, et al. Enhancement of thermoelectric performance in hierarchical mesoscopic oxide composites of Ca3Co4O9 and La0.8Sr0.2CoO3. J Am Ceramic Soc, 2015, 4: 1230–1235 Vineis CJ, Shakouri A, Majumdar A, Kanatzidis MG. Nanostructured thermoelectrics: big efficiency gains from small features. Adv mater, 2010, 22: 3970–3980 Harman TC. Quantum dot superlattice thermoelectric materials and devices. Science, 2002, 297: 2229–2232 Venkatasubramanian R. Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit. Nature, 2001, 413: 597–602 Mitchell K, Ibers JA. Rare-earth transition-metal chalcogenides. Chem Rev, 2002, 102: 1929–1952 Kuropatwa B, Cui Y, Assoud A, Kleinke H. Crystal structure and physical properties of the new selenide-tellurides Ba3Cu17-x (Se, Te)11. Chem Mater, 2009, 21: 9906–9911 Li Y, Han Q, Kim TW, Shi W. Synthesis of wurtzite-zincblende Cu2ZnSnS4 and Cu2ZnSnSe4 nanocrystals: insight into the structural selection of quaternary and ternary compounds influenced by binary nuclei. Nanoscale, 2014, 6: 3777–3785 Ijjaali I, Mitchell K, Ibers JA. Preparation and structure of the light rare-earth copper selenides LnCuSe2 (Ln=La, Ce, Pr, Nd, Sm). J Solid State Chem, 2004, 177: 760–764 Yamamoto K, Kashida S. X-ray study of the average structures of Cu2Se and Cu1.8S in the room temperature and the high temperature phases. J Solid State Chem, 1991, 93: 202–211 Ballikaya S, Chi H, Salvador JR, Uher C. Thermoelectric properties of Ag-doped Cu2Se and Cu2Te. J Mater Chem A, 2013, 1: 12478–12484 Liu H, Shi X, Kirkham M, et al. Structure-transformation-induced abnormal thermoelectric properties in semiconductor copper selenide. Mater Lett, 2013, 93: 121–124 Zhao L, Wang X, Yun FF, et al. The effe cts of Te2- and I- substitutions on the electronic structures, thermoelectric performance, and hardness in melt-quenched highly dense Cu2-x Se. Adv Electronic Mater, 2015, 1: 1400015 He Y, Zhang T, Shi X, et al. High thermoelectric performance in copper telluride. NPG Asia Mater, 2015, 7: e210 Liu H, Yuan X, Lu P, et al. Ultrahigh thermoelectric performance by electron and phonon critical scattering in Cu2Se1-x Ix. Adv Mater, 2013, 25: 6607–6612 Li D, Qin XY, Liu YF, et al. Chemical synthesis of nanostructured Cu2Se with high thermoelectric performance. RSC Adv, 2014, 4: 8638–8644 Zhao L, Wang X, Wang J, et al. Superior intrinsic thermoelectric performance with zT of 1.8 in single-crystal and melt-quenched highly dense Cu2-x Se bulks. Sci Rep, 2015, 5: 7671 Gahtori B, Bathula S, Tyagi K, et al. Giant en hancement in thermoelectric performance of copper selenide by incorporation of different nanoscale dimensional defect features. Nano Energy, 2015, 13: 36–46 Biswas K, He J, Zhang Q, et al. Strained endotaxial nanostructures with high thermoelectric figure of merit. Nat Chem, 3: 160–166 Liu FS, Huang MJ, Gong ZN, et al. Enhancing the thermoelectric performance of ß-Cu2Se by incorporating SnSe. J Alloys Comp, 2015, 651: 648–654 Xu W, Liu Y, Chen B, et al. Nano-inclusions: a novel approach to tune the thermal conductivity of In2O3. Phys Chem Chem Phys, 2013, 15: 17595–17600 He Y, Lu P, Shi X, et al. Ultrahigh thermoelectric performance in mosaic crystals. Adv Mater, 2015, 2: 1–6 Jian X, Cao Y, Chen GZ, et al. High-purity Cu nanocrystal synthesis by a dynamic decomposition method. Nanoscale Res Lett, 2014, 9: 689 Yu B, Liu W, Chen S, et al. Thermoelectric properties of copper selenide with ordered selenium layer and disordered copper layer. Nano Energy, 2012, 1: 472–478 Bhaskar A, Pai YH, Wu WM, et al. Low ther mal conductivity and enhanced thermoelectric performance of nanostructured Al-doped ZnTe. Ceramics International, 2016, 42: 1070–1076 Cahill DG, Watson SK, Pohl RO. Lower limit to the thermal conductivity of disordered crystals. Phys Rev B, 1992, 46: 6131–6140 He Y, Day T, Zhang T, et al. High thermoelectric performance in non-toxic earth-abundant copper sulfide. Adv Mater, 2014, 26: 3974–3978 Xiao XX, Xie WJ, Tang XF, Zhang QJ. Phase tr ansition and high temperature thermoelectric properties of copper selenide Cu2-x Se (0 ≤ x ≤ 0.25). Chin Phys B, 2011, 20: 87201 Tyagi K, Gahtori B, Bathula S, et al. Enhanced thermoelectric performance of spark plasma sintered copper-deficient nanostructured copper selenide. J Phys Chem Solids, 2015, 81: 100–105
Thông tin
Thông tin xuất bản

Science China Materials

Tập 59

135-143

Thông tin tác giả