DOI: https://doi.org/10.18524/1815-7459.2013.4.110720

КОМПОЗИТНІ ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНІ МАТЕРІАЛИ З НАНОВКЛЮЧЕННЯМИ: СУЧАСНИЙ СТАН І ПЕРСПЕКТИВИ (ОГЛЯД)

Д. М. Фреїк, О. С. Криницький, О. М. Матківський

Анотація


Зроблено огляд робіт, присвячених композитним термоелектричним матеріалам, що функціонують у різних температурних інтервалах: кімнатні (300-400) К (Bi2 Te3 , Bi2 Te3 -Sb2 Te3 ); середньотемпературні (500-700)К (PbTe, Mg2 Si Last, скутерудити, половинні сполуки Гейслера, клатрати); високотемпературні (900-1500)К (Si 1-xGex , La3-xTe4 ). Акцентовано увагу на технологічних особливостях синтезу сполук і приготування термоелектричних структур, аналізі їх будови та термоелектричної добротності. Показано, що введення наночастинок в об’єм основного матеріалу зумовлює значне покращення термоелектричних характеристик. Наведено основні стратегії для подальшого прогресу в термоелектричному матеріалознавстві на основі композитів із нановключеннями

Ключові слова


термоелектрика; композити; термоелектрична добротність; термоелектричне матеріалознавство

Повний текст:

PDF

Посилання


Фреїк Д.М., Никируй Л.І., Криницький О.С. Досягнення і проблеми

термоелектрики 1. Історичні аспекти (Огляд) // Фізика і хімія твердого тіла – 2012 – Т. 13, №2 – С. 297-318.

Фреїк Д.М., Лоп’янко М . А . Наноструктуровані термоелектричні

матеріали: проблеми, технології, властивості (огляд) // Фізика і хімія

твердого тіла – 2013 – Т. 14, №2 – С. 280-299.

Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. – М о с к в а ,

Издательство Академии наук СССР 1960. – 183 с.

Liu W., Yan X., Chen G., Ren Z., Recent advances in thermoelectric nanocompos-ites // Nano Energy – 2012 – Vol. 1, Is. 1 – P.42-56.

Фреїк Д.М., Никируй Л.І., Галущак М.О., Матеїк Г.Д., Досягнення і

проблеми термоелектрики ІІ. Основні положення теорії термоелектричних явищ (огляд) // Фізика і хімія твердого тіла – 2012 – Т. 13, №3 – С. 574-585

Ma Y., Heijl R., Palmqvist A. E. C., Composite thermoelectric materials with embedded nanoparticles //J. of Materials Science – 2013 – Vol. 48, Is. 7 – P. 2767- 2778.

Шостаковский П., Термоэлектрические источники альтернативного

электропитания // Компоненты и технологии – 2010 – №12 – С.131-138.

Ащеулов А.А., Горобець М.В., Добровольський Ю.Г., Романюк І.С.,

Термоелектричні модулі Пельт’є на основі кристалів твердих розчинів

Bi-Te-Se-Sb – Чернівці, ”Прут”, 2011. – 150 c.

Михальченко В. П., Цалий З. П., Рентгенографічне й електронно-мікроскопічне дослідження текстур у гарячепресованих компактах на

основі Bi2 Te3 // Термоелектрика – 2005 – №2 – С.83-84

Poudel B., Hao Q., Ma Y., Lan Y. C., Minnich A., Yu B., Yan X., Wang D. Z., Muto A., Vashaee D., Chen X. Y., Liu J. M., Dresselhaus M. S., Chen G., Ren Z. F., High-thermoelectric performance of nanostructured bismuth antimony telluride bulk alloys // Science – 2008 – Vol. 320, №.5876 – P. 634-638.

Ma Y., Hao Q., Poudel B., Lan Y. C., Yu B., Wang D. Z., Chen G., Ren Z.

F., Enhanced thermoelectric figure-ofmerit in p-type nanostructured bismuth antimony tellurium alloys made from elemental chunks // Nano Lett – 2008 – Vol.8, Is.8 – P. 2580–2584.

Ji X., He J., Su Z., Gothard N., Tritt T.M., Improved thermoelectric

performance in polycrystalline p-type Bi2 Te3 via an alkali metal salt

hydrothermal nanocoating treatment approach // Journal of Applied Physics – 2008 – Vol.104 – P. 034907.

Zhang Q., Zhang Q.Y., Chen S., Liu W.S., Lukas K., Yan X., Wang H.Z.,

Wang D.Z., Opeil C., Chen G., Ren Z.F. // Nano Letters (2010).

Ji X.H., Zhao X.B., Zhang Y.H., Sun T., Ni H.L., Lu B.H. Novel thermoelectric Bi2 Te3 nanotubes and nanocapsules

prepared by hydrothermal synthesis // Proc. 23 Int.Conf. on Thermoelectrics, Adelaide, Australia, 2004.

Zhao X.B., Sun T., Zhu T.J. and Tu J.P. In-situ investigation and effect

of additives on low temperature aqueous chemical synthesis of Bi2

Te3 nanocapsules // J. Mater. Chem. – 2005. – №15. – P.1621-1625.

Li J.-F., Liu W.-S., Zhao L.-D., Zhou M., High-performance nanostructured thermoelectric materials // NPG Asia Mater – 2010 – Vol.2, №4 – P.152-158.

Zhao Y., Burda C., Chemical Synthesis of Bi0.5Sb1.5Te3

Nanocrystals and Their Surface Oxidation Properties // ACS Appl. Mater. Interfaces– 2009 – Vol.1, №6 – P. 1259–1263.

B., Wang H Thermoelectric Figure-ofMerit in Bulk p-type PbTe // APS March Meeting, Pittsburgh, PA, March (2009).

Martin J., Nolas G. S., Zhang W., Chen L. PbTe nanocomposites synthesized from PbTe nanocrystals // Appl. Phys. Lett. – 2007 – Vol.90, Is.22 – P.222112- 222115.

Zheng Y. Y., Zhu T. J., Zhao X. B., Tu J. P., Cao G. S. // Mater. Lett. – 2005 – Vol.59 – P.2886.

Peranio N., Eibl O., Nurnus J. // Journal of Applied Physics – 2006 – Vol.100– P.114306.

Heremans J. P., Thrush C. M., Morelli D. T. // Journal of Applied Physics –

– Vol.98– P.063703.

Sootsman J. R., Kong H., Uher C., D’Angelo J. J., Wu C. I., Hogan T. P.,

Caillat T., Kanatzidis M. G. // Angewandte Chemie-International Edition

– 2008 – Vol.47– P.8618.

Shreyashi Ganguly , Chen Zhou , Donald Morelli , Jeffrey Sakamoto , Ctirad Uher, Stephanie L.Brock Synthesis and evaluation of lead telluride/bismuth antimony telluride nanocomposites for thermoelectric

applications

Hsu K. F., Loo S., Guo F., Chen W., Dyck J. S., Uher C., Hogan T.

Polychroniadis E. K, Kanatzidis M. G., Thermoelectricity in Semiconductor

Nanostructures // Science – 2004 – Vol. 303, Is. 5659 – P.777-778.

Poudeu P. F. R., D’Angelo J., Downey A. D., Short J. L., Hogan T. P., Kanatzidis M.G., High Thermoelectric Figure of Merit and Nanostructuring in Bulk p-type Na1−xPbmSb y Tem+2 // Angewandte Chemie-International Edition – 2006 – Vol. 45, Is. 23 – P.3835-3839.

Androulakis J., Hsu K. F., Pcionek R., Kong H., Uher C., DAngelo J. J.,

Downey A., Hogan T., Kanatzidis M. G., Nanostructuring and High

Thermoelectric Efficiency in p-Type Ag(Pb1 – y Sn y )mSbTe2 + m // Advanced Materials – 2006 – Vol. 18, Is. 9 – P.1170-1173.

Kanatzidis M. G. Nanostructured Thermoelectrics: The New Paradigm //

Chem. Mater – 2010 – Vol. 22, Is. 3 – P.648-659.

J. K. Lee, M. W. Oh, S. D. Park, B. S. Kim, B. K. Min, M. H. Kim, H. W.

Lee Improvement of Thermoelectric Properties through Controlling the

Carrier Concentration of AgPb18SbTe20 Alloys by Sb Addition // Electronic Materials Letters, Vol. 8, No. 6 (2012), pp. 659-663

Uher C. Recent Trends in Thermoelectric Material Search in Semiconduct.

Semimet Vol. 69 – USA, Academic 2001–p.326.

Berardan D. Improved thermoelectric p r o p e r t i e s i n d o u b l e - f i l l e d Cey/2Yby/2Fe4−x(Co/Ni)x Sb12 skutterudites // Appl. Phys. – 2005 – V.98 – P.033710.

Slack G. A. CRC Handbook of T h e r m o e l e c t r i c s U S A – C R C

Press–1995.

Li J.-F., Liu W.-S., Zhao L.-D., Zhou M. High-performance nanostructured

thermoelectric materials // NPG Asia Mater – 2010 – Vol. 2, №4 – P.152.

Nolas G.S., Cohn J.L., Slack G.A. Effect of partial void filling on the lattice

thermal conductivity of skutterudites // Phys Rev B – 1998 – Vol. 58, Is.1 – P.164-170

Mi J. L., Zhao X.B., Zhu T.J., Tu J.P. Thermoelectric properties of

Yb0.15Co4 Sb12 based nanocomposites with CoSb3 nano-inclusion. // J Phys D – 2008 – Vol.41, Is.20 – P.205403

Xiong Z, Chen X, Zhao X, Bai S, Huang X, Chen L Effects of nanoTiO2

dispersion on the thermoelectric properties offilled-skutterudite

Ba0.22Co4 Sb12 // Solid State Sci – 2009 – Vol.11, Is.9 – P.1612-1616.

Zhao X.Y., Shi X., Chen L.D., Zhang W.Q., Bai S.Q., Pei Y.Z., Li X.Y., Goto

T. Synthesis of Yby Co4 Sb12/Yb2 O3 composites and their thermoelectric

properties // Appl Phys Lett – 2006 – Vol.89, Is.9 – P.092121.

Li H., Tang X.F., Zhang Q.J., Uher C. High performance Inx Ce y Co4 Sb12 thermoelectric materials with in situ forming nanostructured InSb phase // Appl Phys Lett – 2009 – Vol.94, Is.10 – P.102114.

Su X., Li H., Wang G., Chi H., Zhou X., Tang X., Zhang Q., Uher C. Structure and Transport Properties of DoubleDoped CoSb2.75Ge0.25-xTex (x = 0.125– 0.20) with in Situ Nanostructure // Chem

Mater –2011 – Vol.23, Is.11 – P.2948.

Chen Z., Jeffrey S., Donald M., Xiaoyuan Z., Guoyu W., Ctirad

U. Thermoelectric properties of Co0.9Fe 0.1Sb3-based skutterudite

nanocomposites with FeSb 2 nanoinclusion // J Appl Phys – 2011 –

Vol.109, Is.6 – P.063722.

Wood C. Materials for thermoelectric energy conversion // Reports on Progress in Physics.– 1988 – Vol. 51 – p.459.

Alboni P.N., Ji X., He J., Gothard N., Tritt T.M. Thermoelectric properties

of La0.9CoFe3 Sb12–CoSb3 skutterudite nanocomposites // J Appl Phys – 2008 – Vol.103, Is.11 – P.113707.

Christensen M., Johnsen S., Iversen B.B., Thermoelectric clathrates of type I // Dalton Trans – 2010 – Vol.39, Is.4 – P.978-992.

Saramat A., Svensson G., Palmqvist A.E.C., Stiewe C., Mueller E., Platzek

D., Williams S.G.K., Rowe D.M., Bryan J.D., Stucky G.D., Large thermoelectric figure of merit at high temperature in Czochralski-grown clathrate Ba8 Ga16Ge30 // J Appl Phys – 2006 – Vol.99, Is.2 – P.023708.

Heijl R., Cederkrantz D., Nygren M., Palmqvist A.E.C., Thermoelectric

properties of Ba8 Ga16Ge30 with TiO2 nanoinclusions // J Appl Phys – 2012 – Vol.112, Is.4 – P.044313.

Cederkrantz D., Saramat A., Snyder G.J., Palmqvist A.E.C., Thermal stability and thermoelectric properties of p-type Ba8 Ga16Ge30 clathrates // J. Appl. Phys. – (2009) – Vol.106, Is.7 – P.074509.

Yang J. Evaluation of Half-Heusler Compounds as Thermoelectric Materials Based on the Calculated Electrical Transport Properties // Adv. Funct. Mater – 2008 – Vol.18, Is.19 – P.2880- 2888.

Xie W.J., He J., Zhu S., Su X.L., Wang S.Y., Holgate T., Graff J.W.,

Ponnambalam V., Poon S.J., Tang X.F., Zhang Q.J., Tritt T.M. Simultaneously o p t i m i z i n g t h e i n d e p e n d e n t

thermoelectric properties in (Ti,Zr,Hf) (Co,Ni)Sb alloy by in situ forming InSb nanoinclusions //Acta Mater – 2010 – Vol.58,Is.14 – P.4705.

Poon S.J., Wu D., Zhu S., Xie W.J., Tritt T.M., Thomas P., Venkatasubramanian R . H a l f - H e u s l e r p h a s e s a n d

nanocomposites as emerging high-ZT thermoelectric materials // J Mater Res – 2011 – Vol.26, Is.22 – P. 2795-2802.

Shen Q // Appl. Phys. Lett. 79. P.4165. (2001).

Nolas G.S., Wang D., Beekman M. Transport properties of polycrystalline

Mg2 Si1−ySb y (0≤y<0.4) // Physical Review B. – 2007 – Vol.76, Is.23

– P.235204.

Yi T., Chen S., Yang S. Li, H., Bux S., Bian Z., Katcho N. A., Shakouri A.,

Mingo N, Fleurial J.-P., Browning N.D., Kauzlarich S.M. Synthesis and characterization of Mg2 Si/Si nanocomposites prepared from MgH2

and silicon, and their thermoelectric properties // J. Mater. Chem. – 2012 – Vol.22 – P.24805- 24813.

Cederkrantz D, Farahi N, Borup K.A, Iversen B.B, Nygren M, Palmqvist

A.E.С. Enhanced thermoelectric properties of Mg2 Si by addition of TiO2

nanoparticles // J Appl Phys – 2012 – Vol.111, Is.2 – P.023701.

Fiameni S., Famengo A., Boldrini S., Battiston S., Saleemi M., Stingaciu M., Jhonsson M., Barison S., Fabrizio M. Introduction of metal oxides into Mg2 Si thermoelectric materials by spark plasma sintering // Journal of Electronic materials – 2013 – Vol. 42, №7.

Tani J.-I., Kido H. Fabrication and thermoelectric properties of Mg2

Sibased composites using reduction reaction with additives // Intermetallics – 2013 – Vol.32 – P.72-80.

Vining C. B., A model for the high‐temperature transport properties of heavily doped n‐type silicon‐germanium alloys // Appl. Phys. – 1991 – Vol.69, Is.1 – P.331.

Wittmann R., Miniaturization Problems in CMOS Technology: Investigation of Doping Profiles and Reliability : Dissertation – Doctor of Technical Sciences – 2007 – P.100.

Rowe D. M., Shukla V. S., Savvides N., Phonon scattering at grain boundaries in heavily doped fine-grained silicon– germanium alloys // Nature – 1981 – Vol.290 – P.765-766.

Vining C. B., Laskow W., Hanson J. O., Van der Beck R. R., Gorsuch P. D.

Thermoelectric properties of pressure‐ sintered Si0.8Ge0.2 thermoelectric alloys //. Appl. Phys. – 1991 – Vol.69, Is.8 – P.4333.

Rowe D. M., Fu L. W., Williams S. G. K., Comments on the thermoelectric

properties of pressure‐sintered Si0.8Ge0.2 thermoelectric alloys // Appl. Phys. – 1993 – Vol.73, Is.9 – P.4683.

Wang X. W., Lee H., Lan Y. C., Zhu G. H., Joshi G., Wang D. Z., Yang J., Muto A. J., Tang M. Y., Klatsky J., Song S., Dresselhaus M. S., Chen G.,. Ren Z. F., Enhanced thermoelectric figure of merit in nanostructured n-type silicon germanium bulk alloy // Appl. Phys. Lett. – 2008 – Vol.93, Is.9 – P.193121.

Joshi G., Lee H., Lan Y. C., Wang X. W., Zhu G. H., Wang D. Z., Gould R. W., Cuff D. C., Tang M. Y., Dresselhaus M. S, Chen G., Ren Z. F. Enhanced Thermoelectric Figure-of-Merit in Nanostructured

p-type Silicon Germanium Bulk Alloys // Nano Lett – 2008 – Vol.8,

Is.12 – P.4670-4674.

May A. F., Fleurial J.-P., Snyder G. J., Thermoelectric performance of

lanthanum telluride produced via mechanical alloying // Physical review

b – 2008 – Vol.78, – P.125205

Westerholt K., Bach H., Wendemuth R., Methfessel S., Superconducting La3- x Te4 compounds // Journal of Physics F– Metal Physics – 1980 – Vol.10 – P.2459- 2469.

May A. F., Fleurial J. P., Snyder G. J. Thermoelectric performance of lanthanum telluride produced via mechanical alloying // Physical Review B. – 2008 – Vol.78, Is.12 – P.125205.

May A. F. High-temperature transport in lanthanum telluride and other modern thermoelectric materials // California Institute of Technology Pasadena, California, 2010.

Wang H., Li J. - F., Zou M.M., Sui T., Synthesis and transport property of

AgSbTe2 as a promising thermoelectric compound // Applied Physics Letters – 2008 – Vol.93, Is.20 – P. 202106- 202109.

Yan X., Poudel B., Ma Y., Liu W.S., Joshi G., Wang H., Lan Y.C., Wang

D.Z., Chen G., Ren Z.F., Experimental Studies on Anisotropic Thermoelectric Properties and Structures of n-Type Bi2 Te2.7Se0.3 // Nano Letters – 2010 – Vol.10, Is.9 – P. 3373–3378.

Liu W., Yan X., Gang Chen, Ren Z. Recent advances in thermoelectric nanocomposites // Nano Energy – 2012 – Vol.1, Is.1 – P. 42–56.

Venkatasubramanian R., Siivola E., Colpitts T., O’Quinn B. // Nature – 2001 – Vol. 413, № 6856 – P. 597-602.

Zebarjadi M., Joshi G., Zhu G.H., Yu B., Minnich A., Lan Y.C., Wang X.W.,

Dresselhaus M., Ren Z.F., Chen G., Power factor enhancement by modulation doping in bulk nanocomposites // Nano Letters – 2011 – Vol.11, Is.6 – P. 2225–2230.

Popescu A., Woods L.M. Enhanced thermoelectricity in composites by

electronic structure modifications and nanostructuring // Applied Physics Letters – 2010 – Vol.97, Is.5 – P. 052102-052105.

Zhang Y., Ke X.Z., Chen C.F., Yang J.H., Kent P.R.C. // Physical Review

Letters – 2011 – Vol.106, Is.20 – P. 206601-206605.

Zhao L.D., Zhang B.P., Li J.-F., Liu W.S. // Solid State Science – 2008 – Vol.10, Is.5 – P. 651–658.

Tang J.Y., Wang H.T., Lee D.H., Fardy M., Huo Z.Y., Russell T.P., Yang P.D., Holey Silicon as an Efficient Thermoelectric Material // Nano Letters – 2010 – Vol.10, Is.10 – P. 4279–4283.

He Y.P., Donadio D., Lee J.H., Grossman J.C., Galli G., Thermal Transport in Nanoporous Silicon: Interplay between Disorder at Mesoscopic and Atomic Scales // ACS Nano – 2011 – Vol.5, Is.3 – P. 1839–1844 5. P.1839 (2011).




Copyright (c) 2013 Сенсорна електроніка і мікросистемні технології

ISSN 1815-7459 (Print), 2415-3508 (Online)