Enhanced thermoelectric figure-of-merit in Bi-Sb-Te nanocomposites with homogenously dispersed oxide ceramic ZrO2 nanoparticles

Abstract

In this research, p-type BiSbTe/ZrO2 nanocomposite powders were fabricated by high-energy ball milling. Different weight percentages of ZrO2 (2, 4, and 6 wt. %) nanoparticles were incorporated into the bulk (BiSbTe) matrix by consolidation of as-synthesized nanocomposites (NCs) powder by spark plasma sintering at 673 K. The phase and existence of ZrO2 nano-inclusions was confirmed by X-ray diffraction and transmission electron microscopy-selected area electron diffraction analysis. The Seebeck coefficient of the BiSbTe/ZrO2 NCs was significantly improved (∼36% for 4 wt. % added NCs) by a decrease in the carrier concentration and energy filtering effect, whereas the thermal conductivity was much reduced via strong scattering of carriers/phonons. The peak thermoelectric figure-of-merit (1.34 ± 0.06) was obtained for BiSbTe into which 2 wt. % ZrO2 was dispersed, which was approximately 20% greater than that of the undispersed sample. The hardness of the nanocomposites was significantly improved (∼27%) due to grain-boundary hardening and a dispersion strengthening mechanism.

Insights into the Classification of Nanoinclusions of Composites for Thermoelectric Applications

“…The primary purpose of adding nanoinclusions in terms of mechanical strength is to act as obstacles to the dislocation motion . The primary mechanisms of improving the mechanical properties by adding nanoinclusions are fine-boundary hardening and dispersion strengthening. ,, …”

“…Minnich et al calculated the Seebeck coefficient (α) distribution concerning their carrier energy, as shown in Figure b, which indicates that the presence of low-energy carriers reduces the overall α in the material. Similarly, adding nanoinclusions also scatters the low-energy carriers, which responsibly improves the α by acting as charge carrier filters, as depicted in Figure . ,,,− However, the addition of nanoinclusions also results in band bending at interface boundaries, which creates a potential barrier to low-energy carriers, thereby allowing the high-energy carriers to transport, as shown in the inset of Figure b . This mechanism is called carrier energy filtering, influenced by enhancing the carriers’ effective mass, as per the Pisarenko relation , where n is the carrier concentration and m * is the effective mass of the carriers.…”

Эффективная Масса, Подвижность Носителей Заряда И Решеточная Теплопроводность В Нанокомпозитных Термоэлектриках На Основе Халькогенидов Висмута И Сурьмы

“…Возможность повышения термоэлектрической эффективности в материалах на основе теллурида висмута за счет наноструктурирования объемной матрицы, в которую могут быть добавлены наночастицы металлов, полупроводников или нанокерамик в количестве нескольких весовых процентов от исходной матрицы, рассматривается в работах [4][5][6][7]. При такой методике формирования нанокомпозитных термоэлектриков происходит повышение коэффициента Зеебека, связанное с фильтрацией энергии электронов на вновь сформированных интерфейсах за счет добавления наночастиц [5,7,9].…”

“…Возможность повышения термоэлектрической эффективности в материалах на основе теллурида висмута за счет наноструктурирования объемной матрицы, в которую могут быть добавлены наночастицы металлов, полупроводников или нанокерамик в количестве нескольких весовых процентов от исходной матрицы, рассматривается в работах [4][5][6][7]. При такой методике формирования нанокомпозитных термоэлектриков происходит повышение коэффициента Зеебека, связанное с фильтрацией энергии электронов на вновь сформированных интерфейсах за счет добавления наночастиц [5,7,9]. Повышение коэффициента Зеебека за счет изменения спектрального распределения длин свободного пробега электронов, когда размеры наноструктурированных зе-рен и включений становятся сравнимыми с длиной свободного пробега электронов, обеспечивает увеличение параметра мощности, компенсируя снижение электропроводности в композитном термоэлектрике.…”

Термоэлектрические свойства нанокомпозитного Bi-=SUB=-0.45-=/SUB=-Sb-=SUB=-1.55-=/SUB=-Te-=SUB=-2.985-=/SUB=- с микрочастицами SiO-=SUB=-2-=/SUB=-

“…Эти термоэлектрики относятся к новому классу квантовых материаловк трехмерным (3D) топологическим изоляторам (ТИ) с инвертированным спектром носителей заряда, которые интенсивно исследуются [6][7][8][9][10][11][12], поскольку обладают уникальными свойствами, связанными с нетривиальной зонной структурой поверхностных состояний с линейной дисперсией. Есть основания полагать, что термоэлектрическая эффективность этих материалов может увеличиваться в нанокомпозитах с включением изоляторов или проводников с топологически тривиальной электронной структурой [13][14][15][16][17][18]. Целью настоящей работы является приготовление и исследование термоэлектрических и гальваномагнитных свойств нанокомпозитных термоэлектриков из нанопорошков твердого раствора Bi 0.45 Sb 1.55 Te 2.985 p-типа проводимости с включениями микросфер SiO 2 .…”