Forscher optimieren thermoelektrische Eigenschaften von Blei-Tellurid-Materialsystemen

In einer kürzlich durchgeführten Studie erzielte ein Forschungsteam des Hefei Institute of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften eine höhere thermoelektrische Leistung von n-leitendem Bleitellurid (PbTe), indem es die Bandstruktur anpasste und die Phononenstreuung verbesserte. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Nanomaßstab.

„Wir haben den Leistungsfaktor des Materials erhöht und die Wärmeleitfähigkeit verringert“, sagte Prof. Qin Xiaoying, der das Team leitete.

PbTe ist eines der vielversprechendsten thermoelektrischen Mitteltemperaturmaterialien. PbTe-Materialien vom n-Typ haben jedoch eine niedrigere thermoelektrische Gütezahl im Vergleich zu PbTe-Materialien vom p-Typ. Dies ist hauptsächlich auf die große Energieverschiebung zwischen den leichten und schweren Bändern im PbTe-Leitungsband zurückzuführen, was es schwierig macht, eine Energiebandvereinfachung in n-Typ-PbTe zu erreichen, was zu einem niedrigeren Leistungsfaktor führt. Daher sind eingehendere und systematischere Studien erforderlich, um die thermoelektrische Leistung von PbTe vom n-Typ effektiv und signifikant zu verbessern.

Nun konstruierten die Forscher das Pb0.97Sb0.03Te + y wt. % Cu12Sb4S13(y=0, 1,25, 1,5, 1,75) Verbundsystem. Dies wurde erreicht, indem die PbTe-Matrix mit Antimon (Sb)-Elementen dotiert und eine kleine Menge Cu12Sb4S13-Nanopartikel eingebracht wurden. Thy nutzte die In-situ-Reaktion auch zum Aufbau einer halbkohärenten Nanophase.

Diese Studie konzentriert sich auf die Optimierung der Ladungsträgerkonzentration in PbTe vom n-Typ unter Verwendung von Wirtselement-Dotierung, während Energiebandtechnik/Energiefiltereffekte kombiniert werden, um seine elektrischen Eigenschaften zu verbessern.

Auf dieser Grundlage wurden In-situ-Reaktionen verwendet, um halbkohärente Nanophasen aufzubauen und Multiskalen-Defekte einzuführen, um Phononen zu streuen. Dadurch konnten sie den Leistungsfaktor verbessern, die Wärmeleitfähigkeit verringern und somit die thermoelektrische Gütezahl (ZT) erhöhen.

Sie fanden heraus, dass die zusammengesetzte Probe Pb0,97Sb0,03Te + 1,5 wt. % Cu12Sb4S13 hatte hervorragende thermoelektrische Eigenschaften mit einer ZT von 1,58 (773 K), eine Verbesserung von etwa 75 % im Vergleich zu Pb0,97Sb0,03Te.

Diese Arbeit bewies, dass die Einarbeitung von Cu12Sb4S13-Nanopartikeln ein effektiver Weg zur Verbesserung der thermoelektrischen Eigenschaften von Pb0.97Sb0.03Te ist, was für die Untersuchung der Regulierung der thermoelektrischen Eigenschaften von PbTe vom n-Typ von großer Bedeutung war.