Ca-Ag-P ve Ca-Cu-P sistemlerinde yüksek verimli üçlü termoelektrik fosfitlerin geliştirilmesi

XIX. yüzyılda Seebeck, Peltier ve Thomson tarafından termoelektrik (TE) etkisinin keşfedilmesinden bu yana, termoelektrik hem temel bilim hem de endüstriyel nedenlerden dolayı büyük ilgi görmüştür. Günümüzde bu ilgi, dünya çapında giderek artan enerji talebi ve buna eşlik eden, zararlı sera gazlarının emisyonuna bağlı çevresel kaygılar nedeniyle yeniden canlanmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında termoelektrik, yalnızca atık ısının toplanmasıyla değil, aynı zamanda ticari buzdolapların yerini almasıyla da öne çıkıyor. Üretilen enerjinin yaklaşık üçte ikisinin atık ısı olarak kaybolduğu göz önüne alındığında, bu çok yönlü teknoloji, ısıyı elektriğe veya elektriği ısıya dönüştürdüğü için oldukça kullanışlıdır. Belirli bir malzemenin termoelektrik verimliliği, α, σ, κl, κe ve T'nin Seebeck katsayısına, elektriksel iletkenliğe, kafes termal iletkenliğine, elektronik termal iletkenliğe ve sıcaklığa karşılık geldiği 𝑧𝑇= 𝛼2𝜎𝑇/(𝜅𝑙+𝜅𝑒) olarak tanımlanan boyutsuz termoelektrik değer zT aracılığıyla ölçülür. Belirli bir sıcaklıkta zT değeri ne kadar yüksek olursa modülün termoelektrik verimliliği de o kadar yüksek olur. Dolayısıyla termoelektrikte aşılması gereken zorluk açıkça malzemedir: iyi bir termoelektrik malzeme, Joule etkisi yoluyla ısı kayıplarını en aza indirmek için düşük elektrik direncine, termoelektrik etkiyi maksimuma çıkarmak için yüksek termo güce ve termokuplın her iki taraf arasında yeterince büyük bir sıcaklık gradyanını korumak için düşük termal iletkenliğe sahip olmalıdır. Üçlü fosfitler (CaAgP ve CaCuP) stabildir ve umut verici termoelektrik özellikler sergileyebilir. Bugüne kadar bu malzemeler büyük ölçüde keşfedilmemiştir, ancak son teorik çalışmalar bunların yüksek termoelektrik verimlilikleri olabileceğini ortaya koymaktadır. Bu tez çalışmasında, p-tipi CaAgP ve CaCuP malzemelerin elektriksel ve termal taşınım özellikleri Zn, Na, Sn, nano-bor (nB) ve La katkılaması yoluyla araştırılmıştır. CaAgP ve CaCuP tozları yüksek enerjili bilyalı öğütme yoluyla sentezlenmiş ve kıvılcım plazma sinterleme tekniği ile sinterlenmiştir. Katkı maddeleri aynı sentez işlemleri uygulanarak malzemelere dahil edilmiştir. Ayrıca sinterleme işleminin ardından belirli numunelere tavlama işlemleri de yapılmıştır. Bu çok kristalli malzemelerin detaylı kimyasal karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. İstenilen saflık ve bileşimde elde edilen malzemelerin termoelektrik incelemeleri tamamlanmıştır. Termoelektrik açıdan umut vaat eden numunelerin mekanik özellikleri ölçülmüştür. CaAgP ve CaCuP'nin dielektrik sabitinin ölçümleri ve termoelektrik modelleme de Kore'de ki çalışma partnerlerimiz tarafından gerçekleştirildi. Kendinden katkılı CaAg0.90P numunesi, 823 K'de yaklaşık 0,33'lük en yüksek zT değerine ulaşmıştır; ilave katkılama deneyleri CaAgP bileşiğindeki zT değerlerini daha da arttırmakta başarısız olmuştur. Dikkat çekici bir şekilde, %0.05 atomik nano bor katkılı numune, Ca-Ag-P sistemi içindeki maksimum sertliği göstermiştir. CaCuP sisteminde zT değeri önemli ölçüde iyileşmiş ve Zn katkılı ve tavlanmış Ca1.05Cu0.95P-Zn0.05 malzemesi için zT, 823 K'de 0,37'den 0,45'e yükselmiştir. Ek olarak, nano bor ve çinkonun dahil edilmesi yalnızca zT değerlerini arttırmakla kalmamış, aynı zamanda CaCuP ve CaAg0.90P mikro yapılarının mekanik özelliklerini de geliştirmiştir. Bu bulgular, yeni termoelektrik malzemelerin geliştirilmesi ve uygulamalarına önemli ölçüde katkıda bulunacak üçlü fosfitler üzerinde ayrıntılı deneysel ve hesaplamalı çalışmaların önemini vurgulamaktadır.