Eriyik-santrifüj tekniği ve InSb ve karbon-kaplı nano bor katkısı ile skutterudite fazının (CoSb3) termoelektrik özelliklerinin optimizasyonu

Günümüz dünyasında klasik enerji rezervleri hızla tükenmekte ve bu kaynakların kullanımı ile küresel ısınmanın ilerlemesi ve hava kirliliği gibi istenmeyen sonuçlar ortaya çıkmaktadır. Son araştırmalar, dünyada üretilen enerjinin %60'ından fazlasının atık ısı formunda kaybolduğunu göstermektedir. Bu nedenle, atık ısının geri kazanımı, sürdürülebilir enerji çözümlerine katkıda bulunmak için umut verici seçeneklerden biri olarak düşünülmektedir. Bu amaçla ısıyı doğrudan elektriğe (veya tam tersine) çeviren termoelektrik malzemeler araştırmacılar arasında önemli ilgi görmüştür. Termoelektrik jeneratörler, elektrik enerjisi üretmek için girdi olarak ısı enerjisini (sıcaklık gradyanı) kullanırlar. Hareketli parçası olmayan, sessiz ve ölçeklendirilebilir katı hal cihazlarıdır, bu da onları güç üretimi için ideal kılar. Termoelektrik malzemeleri kullanarak önemli miktarda enerji üretmek için öncelikle boyutsuz termoelektrik değer katsayısı zT ile değerlendirilen termoelektrik dönüşüm verimliliği arttırılmalıdır. zT, zT = α2σT/(κlat+κe), olarak tanımlanır; burada α, σ, κlat, κe ve T sırasıyla Seebeck katsayısına, elektriksel iletkenliğe, örgül ısıl iletkenliğine, elektronik ısıl iletkenliğine ve sıcaklığa karşılık gelir. Bu iletim özellikleri çoğunlukla birbirine bağlı olduğundan, optimum zT değerlerine ulaşmak zordur. Skutteruditeler (CoSb3 ya da Co4Sb12), boşluk yapılarındaki hareketli dolgu atomlarıyla ilişkili düşük ısı iletkenlikleri ile birlikte yüksek elektronik iletim özellikleri sayesinde orta-yüksek sıcaklıklarda çalışan umut verici termoelektrik malzemelerdir. Bu tezde, n-tipi Yb dolgulu Co4Sb12'nin eriyik santrifüjleme, karbon kaplı nano bor ve InSb eklemeleri gibi mikroyapı mühendisliği stratejileri uygulandıktan sonra elektriksel ve ısıl iletim özellikleri araştırılmıştır. Analiz edilecek malzemeleri elde etmek için katı hal sentezi, yüksek enerjili bilyalı öğütme (mekanokimyasal sentez) ve ardından kıvılcım plazma sinterleme teknikleri kullanılmıştır. Isıl iletkenliği azaltmak için ek fonon saçılma merkezleri olarak dislokasyon dizileri ve porozite oluşturulması ilk kez bu çalışmada eriyik santrifüj yöntemi ile denenmiştir. Ne yazık ki, eriyik santrifüjleme deneyleri, Bi2Te3 ve Mg3Sb2 gibi diğer anizotropik malzemelerin aksine bu izotropik sistem için artan zT değerleri ile sonuçlanmamıştır. Elde edilen gözenekli ve dolayısıyla hafif malzemeler modül uygulamaları için hala umut vericidir. Elektronik taşımayı geliştirmek, ısıl iletkenliği azaltmak, böylece zT değerlerini artırmak için, Yb0.4Co4Sb12 fazına karbon-kaplı nano bor (CnB) ve InSb eklemeleri uygulanmıştır. Ağırlıkça %0.1 CnB katkılı Yb0.4Co4Sb12 numunesi ve ağırlıkça %1 ve ağırlıkça %1.5 InSb katkılı Yb0.4Co4Sb12 numuneleri için yaklaşık 1.3 ve 1.5 civarında en yüksek zT değerleri elde edilmiştir. Bu değerler, işlenmemiş skutterudite fazından sırasıyla %30 ve %50 daha yüksektir. zT değerlerindeki iyileştirmenin yanı sıra, CnB ve InSb'nin Yb0.4Co4Sb12 mikroyapısına eklenmesiyle mekanik özellikler de iyileştirilmiştir. InSb ve CnB ilavelerinin, skutteruditelerin termoelektrik performansını arttırmada oldukça başarılı olduğu bulunmuştur.