Thermoelectric transport properties of diamond-like Cu1−xFe1+xS2 tetrahedral compounds

Abstract

Polycrystalline samples with the composition of Cu1−xFe1+xS2 (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05, 0.1) were synthesized by a melting-annealing-sintering process. X-ray powder diffraction reveals all the samples are phase pure. The backscattered electron image and X-ray map indicate that all elements are distributed homogeneously in the matrix. The measurements of Hall coefficient, electrical conductivity, and Seebeck coefficient show that Fe is an effective n-type dopant in CuFeS2. The electron carrier concentration of Cu1−xFe1+xS2 is tuned within a wide range leading to optimized power factors. The lattice phonons are also strongly scattered by the substitution of Fe for Cu, leading to reduced thermal conductivity. We use Debye approximation to model the low temperature lattice thermal conductivity. It is found that the large strain field fluctuation introduced by the disordered Fe ions generates extra strong phonon scatterings for lowered lattice thermal conductivity.

Research Update: Cu–S based synthetic minerals as efficient thermoelectric materials at medium temperatures

“…100,102 Several groups reported similar ZT values on substituted systems, e.g., 0.3 at 700 K for Cu 1−x Fe 1+x S 2 (x = 0.03, 0.05) (Fig. 2), 103 0.22 at 675 K for Cu 1−x Co x FeS 2 (x = 0.06), 104 and 0.14-0.16 at 670 K for CuFeS 2(1−x) Se 2x (x = 0.05, 0.20, 0.25). 105 The relatively low ZT for the chalcopyrite systems is due to the large κ L exceeding 1 W/Km.…”

Copper chalcogenide thermoelectric materials

“…Doping was widely employed to improve the carrier concentration and the electrical conductivity, such as CuIn(Ga) 1−x M x Te 2 (M=Zn, Mn, Cd, Hg, Ni, Ag, Gd) [114][115][116][117][118], Cu 1−x Fe 1+x S 2 [119], Cu 3 Sb 1−x M x Se 4 (M=Al, In, Sn, Ge, Bi) [35,[120][121][122] and Cu 2 Cd 1−x In x SnSe 4 [123]. Introducing vacancies is another practical way for the electrical transport optimization as well as the lattice thermal conductivity minimizing.…”

Особенности спектров ЯМР -=SUP=-63,65-=/SUP=-Cu в локальном поле образцов полупроводникового минерала CuFeS-=SUB=-2-=/SUB=- из сульфидных месторождений океана

“…Халькопирит CuFeS 2 -хорошо известный магнитный полупроводник в последние годы интенсивно иссле-дуется как перспективный термоэлектрический мате-риал [1][2][3][4]. Особый интерес вызвало обнаружение тер-моэлектрических свойств у природных образцов CuFeS 2 из гидротермальных рудопроявлений островных дуг Ти-хого океана [5].…”

“…С целью оптими-зации электронных транспортных свойств CuFeS 2 был выполнен целый ряд исследований как по изменению его химического состава, так и по допированию этого соединения различными элементами [1,[6][7][8]. Так, напри-мер, для увеличения концентрации носителей зарядов в соединении CuFeS 2−X использовался дефицит серы, в то же время решеточная теплопроводность уменьшалась за счет фононного рассеяния [1].…”

“…В результате было получено максимальное значение ZT = 0.21 при 573 K для состава CuFeS 1.8 . C другой стороны, формирование антиструктурных дефектов Fe/Cu в Сu 1−X Fe 1+X S 2 путем изменения стехиометрического отношения приводило к росту концентрации носителей заряда и электропровод-ности [6]. Кроме того, формирование антиструктурных дефектов увеличивало рассеяние и значительно умень-шало теплопроводность.…”