Enhancing thermoelectric properties of n-type Mg3Sb2 Zintl phase through microstructure engineering

Fosil yakıtlar gibi zararlı enerji kaynaklarının kullanılmasına bağlı dramatik sonuçlardan dolayı (hava kirliliği, küresel ısınma gibi) çevresel endişeler giderek büyümektedir. Son çalışmalar dünyada üretilen enerjinin %60'ının atık ısı olarak kaybedildiğini göstermektedir. Bu nedenle kayıp ısıyı toplamak küresel enerji sürdürülebilirliğini desteklemek için gelecek vadeden bir seçenek olmaktadır. Atık ısıyı enerjiye dönüştürebilen ya da enerjiden soğutma sağlayabilen termoelektrik malzemeler hem enerji üretimi hem de soğutma uygulamaları için araştırmacıların büyük ilgisini kazanmıştır. Termoelektrik malzemeleri kullanarak önemli miktarda enerji elde etmek için öncelikle boyutsuz termoelektrik değer katsayısı (zT) ile değerlendirilen termoelektrik verimlilik artırılmalıdır. zT, zT = α2σT/(κl+κe) olarak tanımlanmaktadır, α, σ, κl, κe ve T sırasıyla Seebeck katsayısını, elektrik iletkenliğini, örgül ısıl iletkenliğini, elektronik ısıl iletkenliğini ve sıcaklığı ifade etmektedir. Bu iletim özellikleri birbirine bağlı olduğundan dolayı ideal zT değerlerini elde etmek zorlayıcı olmaktadır. Zintl faz termoelektrik malzemeler ayarlanabilir elektronik iletim özellikleriyle yapılarından ötürü düşük ısıl iletkenliklerinden kaynaklı yüksek termoelektrik verimlilik göstermektedirler. Bunların arasında Mg3Sb2 n-tipi malzeme olarak yüksek zT değerinden dolayı son zamanlarda önemli ölçüde dikkat çekmektedir. Bu tez çalışmasında, Bi-Te ve nano bor (nB) ve karbon kaplanmış nano-bor (CnB) katkılarına ilaveten mikroyapı mühendisliği stratejilerinin n-tipi Mg3Sb2 malzemelerinin elektriksel ve termal iletimi özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Saf Mg3.2Sb2 and Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01 tozları yüksek enerjili bilyeli öğütücü ve kıvılcımlı plazma sinterlemesi yöntemleri kullanılarak sentezlenmiştir. Malzemelerin termal iletimini düşürmek için eriyik-santrifüjleme yöntemiyle mikroyapıda fazladan fonon saçılma merkezleri olarak dislokasyon dizileri ve porlar oluşturulmuştur. Taramalı elekrton mikroskobu (SEM) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) analizlerine göre santrifüj sonrası, dislokasyon dizileri ve boşlukların oluşumu gözlemlenmiştir. Bunlara ek olarak, lazer flaş (LFA) tekniği kullanılarak ölçülen, malzemenin termal iletkenlik değerlerinde 0.98 W/Km'den 0.47 W/Km'e düşüş gözlemlenmiştir. Isıl işlem süresinin 1 saat uygulanması, Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01 malzemesi için zT değerinin 1.2'den 1.67'ye kadar artmasına neden olmuştur. Fakat nB, CnB ve MgB2 katkılama çalışmaları termoelektrik özelliklerin geliştirilmesine olumlu katkı sağlamamıştır. Sonuç olarak, eriyik-santrifüjleme yöntemi Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01 malzemesine ilk defa uygulanmış ve örgül dislokasyonlar ve boşluklu yapı oluşturmada başarılı olarak hem en yüksek zT hem de ortalama zT değerlerinde önemli miktarda artışa neden olmuştur. Boşluklu yapılı ve düşük yoğunluklu bu malzemeler tamamen yoğun benzer malzemeler kadar iyi termoelektrik verimlilik göstermektedir. Malzemenin daha hafif olması araçların egzoz sistemlerinden enerji toplanması gibi birçok termoelektrik uygulama için avantajlı ve tercih edilir olduğundan hazırlanan Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01 malzemesi ticarileşme için büyük potansiyele sahip olabilir.