Μοντελοποίηση διεπιφάνειας σε νανοκρυστάλλους του συστήματος AgPb18SbSe20 με χρήση εικόνων HRTEM και Geometric Phase Analysis.
Creators: name: Τσάμος, Δημήτρης Βασίλειου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Θερμοηλεκτρικά υλικά
Ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης (ΤΕΜ)
Geometric Phase Analysis (GPA)
Εικόνες Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Υψηλής Διακριτικής Ικανότητας
Μοντελοποίηση δομών
Προσομοιώσεις κρυσταλλικών δομών με JEMS
Thermoelectric materials
Transmission Electron Microscopy (TEM)
High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) micrographs
Structure modeling
Crystal structure simulations with JEMS

description: Σκεπτόμενοι το γεγονός ότι περίπου τα 2/3 της παραγόμενης ενέργειας από καύσιμα αποβάλλονται με την μορφή θερμότητας, η βελτίωση του τρόπου παραγωγής μέσω της θερμοηλεκτρικής τεχνολογίας έχει γίνει επιτακτική ανάγκη. Αυτό σε συνδυασμό με τις ήδη βιομηχανοποιημένες εφαρμογές, σε συστήματα ψύξης και παραγωγής ενέργειας, έχει σαν αποτέλεσμα την ραγδαία αύξηση της ερευνάς στα θερμοηλεκτρικά υλικά. Η έρευνα για υλικά υψηλής απόδοσης επικεντρώνεται σε ημιαγωγούς χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας. Οι αλλαγές της δομής στην νανοκλίμακα, σφάλματα δομής αλλά και διεπιφάνειες θεωρείται ότι είναι ο κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν τις θερμοηλεκτρικές ιδιότητες. Τα παραπάνω συνηθίζουν να σκεδάζουν τα φωνόνια στον κρύσταλλο επιτρέποντας την διέλευση ηλεκτρικών φορέων. Για αυτό τον λόγο ο δομικός χαρακτηρισμός των διεπιφανειών αποτελεί υψίστης σημασίας για την κατανόηση των θερμοηλεκτρικών ιδιοτήτων. Στην παρούσα εργασία γίνεται μελέτη των δομικών χαρακτηριστικών και των διεπιφανειών του νανοδομημένου θερμοηλεκτρικού συστήματος AgPb18SbSe20 με ηλεκτρονική μικροσκοπία HRTEM. Αρχικά αναλύεται το θεωρητικό επιστημονικό υπόβαθρο που απαιτείται για την κατανόηση της επικείμενης μελέτης. Παρουσιάζονται τα φαινόμενα που διέπουν τα θερμοηλεκτρικά υλικά, καθώς και η σύνδεση των δομικών με των θερμοηλεκτρικών χαρακτηριστικών. Σύνδεση η οποία αποδίδει και τον σκοπό της συγκεκριμένης εργασίας. Ακολουθεί μία εισαγωγή στην ηλεκτρονική μικροσκοπία με έμφαση στην ηλεκτρονική μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης (ΤΕΜ). Γίνεται περιγραφή του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου ΤΕΜ, καθώς και των τρόπων απεικόνισης με αυτό. Μετέπειτα ακολουθεί ένα προοίμιο σχετικά με την Geormetric Phase Analysis (GPA), η οποία αποτελεί μέθοδο για τη μέτρηση και χαρτογράφηση πεδίων μετατόπισης και τάσεων σε περιοδικές πλεγματικές δομές. Στο πειραματικό μας, κύριο μέρος της εργασίας, αρχικά αναφέρονται τα υλικά προς μελέτη καθώς και τα υπολογιστικά πακέτα που χρησιμοποιήθηκαν. Ακολουθεί η ανάλυση GPA για τις εμφανιζόμενες φάσεις των νανοκρυστάλλων που μελετώνται. Από την GPA επιβεβαιώνεται η διαμόρφωση των τριών φάσεων στο υλικό, εμφανίζονται τα όρια των φάσεων αλλά και η μορφολογία των διεπιφανειών. Ακολουθούν προσομοιώσεις των δύο πρώτων φάσεων, της μήτρας και της Β φάσης με βάση τα μοντέλα που είναι ήδη γνωστά. Οι προσομοιώσεις έγιναν με το πρόγραμμα JEMS. Μετέπειτα πραγματοποιείται μία αναθεώρηση της C φάσης του συστήματος μας σε σχέση με αυτή που γνωρίζαμε μέχρι σήμερα. Κατασκευάζονται δομικά μοντέλα τα οποία και προσομοιώνονται για να συγκριθούν με την πειραματική μας εικόνα. Επιλέγοντας το πιο κατάλληλο προχωράμε στην μοντελοποίηση της διεπιφάνειας των δύο νανοκρυσταλλικών φάσεων Β και C. Τέσσερα μοντέλα προτείνονται όπου οι προσομοιώσεις της εικόνας HRTEM δείχνουν την εγκυρότητα αυτών των μοντέλων. Τέλος επιλέγεται αυτό που απεικονίζει καλύτερα την πειραματική μας εικόνα.
description: If we consider the fact that 2/3 of energy production from fuels is disposed as heat, improving the production methods through thermoelectric technologies is very crucial. This combined with the already industrialized applications, in cooling and power generating systems, has led in a rapid increase in research on thermoelectric materials. Research on high-performance materials focuses on low thermal conductivity semiconductors. The presence of structure alterations in nanoscale, structure defects and interfaces are considered to be the main factors affecting the thermoelectric properties. The above tend to scatter the phonons in the crystal allowing the passage of electric carriers. For this reason, the structural characterization of the interfaces is of the utmost importance for the understanding of the thermoelectric properties. In this study we investigate the structural characteristics and interfaces of the nanostructured, thermoelectric system, AgPb18SbSe20 with HRTEM electron microscopy. Initially the theoretical scientific background is presented in order to understand the forthcoming study. The phenomena of thermoelectric materials are presented, as well as the connection of the structural characteristics with the thermoelectric characteristics. Connection that also reflects the purpose of the particular work. There follows an introduction to electron microscopy with an emphasis on transmission electron microscopy (TEM). A description of the TEM electron microscope, as well as its imaging modes, is made. It is followed by a preface on Geormetric Phase Analysis (GPA), which is a method for measuring and mapping displacement and strain fields from periodic lattices. In our experimental main part of this work, we first mention the materials and the computational packages used. The following is the GPA analysis for the occurring phases of the nanocrystals that have been examined. The GPA confirms the three phases of the material, the phase boundaries and the morphology of the interfaces. Following are the simulations of the first two phases, the matrix and the B phase based on the models that are already known. The simulations were performed using the JEMS software. Afterwards a revision of the C phase of our system is taking place, changing the one we know today. We construct structural models that are simulated to compare with our experimental image. By choosing the most appropriate one, we proceed to model the interface of the two nanocrystalline phases B and C. Four models are proposed where the HRTEM image simulations show the validity of these models. Finally, we choose what best illustrates our experimental image.