Μελέτη πολυφασικών θερμοηλεκτρικών υλικών
Authors: Στεφανάκη Ελένη-Χρυσάνθη 
Published: September 2021

Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε μελέτη πολυφασικών θερμοηλεκτρικών υλικών καθώς και μελέτη της επίδρασης της μικροδομής στις θερμοηλεκτρικές τους ιδιότητες. Η έρευνα τα τελευταία χρόνια στον τομέα αυτό εντοπίζεται στην βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων των θερμοηλεκτρικών υλικών για διατάξεις μεγαλύτερης απόδοσης. Τα πολυφασικά υλικά τα οποία μελετήθηκαν αποτελούν τη νέα γενιά υλικών και περιλαμβάνουν τα χαλκογενίδια του μολύβδου PbTe, PbSe, το δυαδικό σύστημα Mg2Si και το ψευδο-τριαδικό Mg2(Si,Sn,Ge). Η ανάπτυξη αυτών έχει πραγματοποιηθεί με διαφορετικές τεχνικές και διαθέτουν όλα άριστες θερμοηλεκτρικές ιδιότητες. Το γνωστό κοινό χαρακτηριστικό και των τεσσάρων ενώσεων είναι η περίπλοκη ηλεκτρονική δομή καθώς στα χαλκογενίδια (PbTe, PbSe) η ζώνη σθένους αποτελείται από δυο μέγιστα (στα σημεία L & Σ της ζώνης του Brillouin), ενώ τα Mg2Si, Mg2Sn έχουν δυο ταινίες (X3, Χ1) στη ζώνη αγωγιμότητας. Η ενεργειακή δομή των ταινιών σθένους και αγωγιμότητας των ενώσεων PbTe, PbSe Mg2Si, Mg2(Si,Sn,Ge) προσεγγίστηκε με παραβολικά και μη μοντέλα και υπολογίστηκαν χαρακτηριστικά τους όπως η ενεργός μάζα ελεύθερων φορέων (m*D), η οπτική ενεργός μάζα (m*S), η διαμήκης ενεργός μάζα (m*L), η εγκάρσια διαμήκης μάζα σε κατεύθυνση κάθετη προς τον κύριο άξονα (m*T), ο λόγος ευκινησιών Hall των ταινιών L, U (b=μΗ,L/μΗ,U), ο παράγοντας ανισοτροπίας Κ=m*L/m*T και η θέση της στάθμης Fermi στις κατειλημμένες ταινίες σθένους/αγωγιμότητας. Τα θερμοηλεκτρικά υλικά μέχρι σήμερα μελετώνται μακροσκοπικά θεωρώντας δεδομένο ότι είναι ομοιογενή. Από την μελέτη αυτή προκύπτει ότι υπάρχουν ανομοιογένειες οι οποίες αφορούν πρωτογενώς τη σύσταση, ενώ έχουν επίδραση και στις θερμοηλεκτρικές τους ιδιότητες. Οι ανομοιογένειες αυτές αποτυπώθηκαν με τη χρήση διάφορων τεχνικών σε όλες τις κλίμακες παρατήρησης: από την ατομική κλίμακα (Å) με την ανάλυση φασμάτων PXRD και το προσδιορισμό της παραμέτρου πλέγματος, τη νανο-κλίμακα (nm) με τις τεχνικές TEM, HRTEM/EDS, τη μικρο-κλίμακα (μm) με SEM-EDS, έως και τη μεσο-κλίμακα (mm) με τις τεχνικές scanning-IR και scanning-Seebeck. Ανάλογα με το είδος των ανομοιογενειών τα υλικά διακρίνονται σε δυο κατηγορίες. Στην πρώτη κατηγορία το δείγμα είναι στερεό διάλυμα με ανομοιογενή κατανομή της πρόσμιξης. Ο βαθμός αυτού του είδους των ανομοιογενειών καθορίζεται από τη συγκέντρωση της πρόσμιξης, το είδος αυτή καθώς και την κατεργασία του δείγματος. Στην δεύτερη κατηγορία το δείγμα δεν αποτελεί στερεό διάλυμα αλλά υπάρχει διαχωρισμός των φάσεων. Ο διαχωρισμός αυτός οφείλεται στο διάγραμμα φάσης των ενώσεων και συγκεκριμένα στην παρουσία χάσματος διαλυτότητας. Επιπλέον, με την χρήση της τεχνικής scanning- IR και της μεθοδολογίας η οποία αναπτύχθηκε, πραγματοποιήθηκε χαρτογράφηση των δειγμάτων και αποτύπωση της τοπικά μεταβαλλόμενης συγκέντρωσης ελεύθερων φορέων και της συγκέντρωσης της πρόσμιξης η οποία συνεισφέρει στους ελεύθερους φορείς. Από τη μελέτη προκύπτει ότι για την σωστότερη διαχείριση των θερμοηλεκτρικών υλικών και την επίτευξη των αναμενόμενων αποδόσεων σε μια θερμοηλεκτρική διάταξη θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η τοπική μεταβολή των θερμοηλεκτρικών ιδιοτήτων του δείγματος.