Høj termoelektrisk ydeevne i billige SnS0.91Se0.09-krystaller

Termoelektrisk materialeteknologi kan konvertere mellem varme og elektricitet i en materialekonstruktion, men mange eksisterende materialer indeholder sjældne eller giftige elementer. I en ny undersøgelse vedr Videnskab , Wenke He og kolleger rapporterede om det temperaturafhængige samspil mellem tre separate elektroniske bånd i hul-dopede tinsulfid (SnS) krystaller. Materialernes adfærd tillod synergistisk optimering mellem effektiv masse (m ^* ) og transportørmobilitet (µ), hvilket forskerholdet boostede ved at introducere selen (Se).

Ved at legere Se, de øgede materialernes effektfaktor fra ca. 30 til 53 mikrowatt pr. centimeter pr. kvadrat Kelvin (µWcm ⁻¹ K ⁻² ved 300 K) og sænkede den termiske ledningsevne. Forskerholdet opnåede et maksimalt merittal ZT (ZT _max ) ca. 1,6 ved 873 K og en gennemsnitlig ZT (ZT _ave ; dimensionsløs værdi) ca. 1,25 mellem 300 K til 837 K inden for SnS _0,91 Se _0,09 krystaller. Forskerne introducerede en strategi for obligationsmanipulation, som tilbød en anden rute for at optimere termoelektrisk ydeevne. De højtydende SnS-krystaller, der blev brugt i arbejdet, repræsenterede et vigtigt skridt i retning af at udvikle billige, jord rigelig og miljøvenlig termoelektrik.

Termoelektrisk teknologi tillader den inverterbare konvertering mellem termisk energi og elektricitet for at give en miljøvenlig rute til elproduktion. Processen kan ske ved at høste spildvarme eller ved faststofkøling. Materialeforskere og fysikere har bestemt omdannelseseffektiviteten af ​​termoelektrisk teknologi ved hjælp af den dimensionsløse værdifortjeneste (ZT) for et givet termoelektrisk materiale. De parametre, der bestemmer konverteringseffektiviteten af ​​termoelektrisk teknologi, er sammenflettet, gør manipulation af enhver enkelt parameter for at forbedre termoelektrisk ydeevne til en udfordring. Forskere havde allerede udtænkt flere strategier til at forbedre ZT'er, ved at optimere effektfaktorer via båndkonvergens, båndudfladning eller tæthed af tilstande forvrængning.

Forskere kan afkoble termoelektriske parametre ved at indlejre magnetiske nanopartikler og reducere termisk ledningsevne med nanostrukturer. Materialeforskere har også udviklet helt nye materialer med iboende lav varmeledningsevne eller med en stor effektfaktor, eller med højtydende termoelektrik, der stammer fra pålidelig high-throughput materialescreening. Højtydende termoelektrik studeres typisk bredt på tværs af gruppe IV-VI halvledere. Tilføjelsen af ​​SnSe (tinselenid) til gruppen er lovende, da termoelektriske materialer ikke indeholder disse elementer. Desuden, SnSe har egenskaber med en høj ZT sammen med flere valensbånd og tredimensionel (3-D) ladning og 2-D fonontransport.

SnS-forbindelsen er en strukturel analog af SnSe og forventes også at være en attraktiv termoelektrisk kandidat. Mens de lavere omkostninger og jordoverflod af S (svovl) appellerer til sparsommelig videnskab og kommercielle anvendelser i stor skala, den lave transportørmobilitet kan forårsage dårlige elektriske transportegenskaber for at hæmme høj termoelektrisk ydeevne. I nærværende arbejde, Han et al. udforskede derfor de termoelektriske potentialer af SnS-krystaller ved at manipulere deres båndstruktur, da forskerholdet også tidligere havde vist evnen til at booste bærermobiliteten af ​​SnS-krystaller. Da S var ret reaktiv med kontaktmaterialer, det var vigtigt at udvikle en diffusionsbarriere i fremtiden.

I nærværende arbejde, forskerholdet syntetiserede SnS _1-x Se _x krystaller ved hjælp af en temperaturgradientmetode til at undersøge Ses rolle i forbindelsen. Holdet opnåede temperaturafhængige elektroniske båndstrukturer ved hjælp af tæthedsfunktionsteoriberegninger (DFT) baseret på atompositioner, som de udledte ved hjælp af højtemperatur synkrotronstråling røntgendiffraktion (SR-XRD) data. Ved at bruge DFT-beregningerne og vinkelopløste fotoemissionsspektroskopimålinger (ARPES), holdet bekræftede tre separate elektroniske bandinteraktioner. De fremmede det fremragende adfærdssamspil mellem de elektroniske bånd ved at erstatte S med Se for at optimere den effektive masse (m) ^* ) og effektiv mobilitet (µ) i materialet. De forbedrede effektfaktoren (PF) fra 30 til 53 µWcm ^-1 K ^-2 ved 300 K. Holdet bekræftede Se-substitution ved hjælp af aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM) og røntgenabsorptions-finstrukturspektroskopi (XAFS). Brug af uelastisk neutronspredning (INS), Han et al. viste, at typiske fononer (akustiske bølger) blev blødgjort ved Se-substitution og yderligere koblet med akustiske grene for lavere termisk ledningsevne.

Resultaterne antydede endvidere, at den elektriske ledningsevne blev forbedret på grund af forbedret bærermobilitet efter legering af 9 procent Se. Forskerholdet observerede en kombineret stigning i elektrisk ledningsevne og en stor Seebeck-koefficient (termoelektrisk følsomhed) for at give en PF (effektfaktor) på tilnærmelsesvis 53 µWcm ^-1 K ^-2 ved 300 K for SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 krystaller. Værdierne var højere end værdierne for andre termoelektriske materialer i gruppe IV til VI forbindelser. Forskerholdet illustrerede skematisk den dynamiske udvikling af de tre valensbånd og energiforskydningen mellem dem som funktion af temperaturen. Så ved at introducere Se, Han et al. fremmet samspillet mellem de tre valensbånd, der er ansvarlige for at optimere den effektive masse og mobilitet (m ^* og µ); hvor sænkning m ^* resulterede i en forbedring af µ.

Han et al. brugte også ARPES (vinkelopløste fotoemissionsspektroskopimålinger) til at observere den elektriske båndstruktur af SnS-krystaller. De plottede tre valensbånd langs forskellige retninger og deres relative energiniveauer i 3-D Brillouin-zonen (en teoretisk zone). Forskerne udførte derefter røntgenabsorptions-finstrukturspektroskopi (XAFS) på SnS _1-x Se _x krystaller for at forstå Se-substitutionen. Deres arbejde viste, at for SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 krystaller, X-ray absorption near-edge structure (XANES) spektret indeholdt tre hovedtræk. Forskerholdet reproducerede alle tre store eksperimentelle funktioner ved hjælp af et simuleret spektrum og en Se-substitutionsmodel. De observerede den vellykkede introduktion af Se i SnS-gitteret for alle SnS _1-x Se _x krystaller.

Holdet brugte STEM højvinklet ringformet mørkt felt (HAADF) til at producere et kontrastbillede og se Se-substitutioner i atomskala på S-steder i SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 krystaller. De opnåede strukturelle tilstande og elektrondiffraktionsmønstre for SnS og SnSe i håndvægtlignende atomarrangementer. Den unormale lysstyrke på S-stederne indikerede Se-substitutioner. De kombinerede usædvanlig høj effektfaktor (PF) og lav varmeledningsevne for at generere en maksimal ZT (ZT) _max ), for SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 krystaller. Han et al. viste god termoelektrisk stabilitet for de højtydende krystaller, hvor krystallerne viste fremragende stabilitet efter neutronbestråling i 432 timer. En sådan strålingsmodstand er vigtig for termoelektriske radioisotopgeneratorer til udforskning i dybt rum.

Sammenlignet med andre gruppe IV-VI termoelektriske materialer, SnS-materialer var langt overlegne i forhold til toksicitet og grundstofoverflod. Forskerne forventer yderligere at optimere kontaktmaterialer for SnS under elementær substitution for at opnå højere eksperimentel effektivitet med lave omkostninger og høj ydeevne i fremtiden. På denne måde Wenke He og kolleger brugte SnS ₀ . ₉₁ Se _0,09 krystaller for i vid udstrækning at demonstrere det store potentiale for konkurrence, store applikationer inden for termoelektrisk materialeteknologi.

© 2019 Science X Network