Μελέτη Νανοδομημένων Θερμοηλεκτρικών Σεληνιδίων του Χαλκού που Συντέθηκαν με Χημική Εναπόθεση Ατμών Στερεάς Κλίνης και Μηχανική Κραματοποίηση
Creators: name: Παυλίδης, Βασίλειος Παναγιώτη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Θερμοηλεκτρισμός
Σύνθεση με Μηχανική Κραματοποποίηση και Χημική Εναπόθεση Ατμών Στερεάς Κλίνης
Σεληνίδιο του Χαλκού
Thermoelectricity
Synthesis via Mechanical Alloying and Chemical Vapor Deposition Pack Cementation
Copper Selenide

description: Υπολογίζεται ότι πάνω από το 70 % της παγκόσμιας ενέργειας απελευθερώνεται στο περιβάλλον με τη μορφή σπατάλης ενέργειας. Σήμερα, υπάρχει αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη σύνθεση και τη βελτιστοποίηση καινοτόμων θερμοηλεκτρικών υλικών για τη μετατροπή της απορριπτόμενης θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα τελευταία χρόνια, το ενδιαφέρον των επιστημόνων έχει κεντρίσει το σεληνίδιο του χαλκου β-φάσης, Cu2Se, το οποίο εμφανίζεται να έχει ιδιαίτερα θερμοηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Στην εργασία αυτή, πραγματοποιήθηκε η σύνθεση του νανοδομημένου σεληνιδίου του χαλκού με χρήση της Μηχανικής Κραματοποίησης και συγκεκριμένα της Υψηλής Ενέργειας Άλεσης σε Σφαιρόμυλο (High Energy Ball Milling – HEBM) και της Χημικής Εναπόθεσης Ατμών Στερεάς Κλίνης (Pack Cementation – PC). Όσον αφορά την τεχνική HEBM, πειράματα μεταβάλλοντας τον χρόνο σύνθεσης, την θερμοκρασία και τον χρόνο ανόπτησης, την θερμοκρασία και την πίεση συμπίεσης καθώς και την ονομαστική στοιχειομετρία του συστήματος, έλαβαν χώρα. Ύστερα από ανάλυση με περίθλαση ακτίνων – Χ στο κάθε δείγμα το οποίο παραγόταν, εντοπίστηκε ότι η μεταβολή της ονομαστικής στοιχειομετρίας μέσω της μείωσης της περιεκτικότητας του χαλκού, έδινε τα βέλτιστα αποτελέσματα. Συγκεκριμένα, επιτεύχθηκε η παροχή της κυβικής κρυσταλλικής δομή β – Cu2Se με μέγεθος κρυσταλλιτών στις νανοδιαστάσεις με δείγμα που ήταν απαλλαγμένο από ισχυρές ποσότητες οξειδίων και ανεπιθύμητων προσμίξεων. Στο βέλτιστο δείγμα, εισήχθησαν προσμείξεις ινδίου, γραφενίου και αλουμινίου σε μορφή νανοεγκλεισμάτων όπου αποδείχτηκε η ομοιόμορφη κατανομή τους στην υλικό με δημιουργία συσσωματωμάτων. Όσον αφορά την τεχνική PC, όμοια πειράματα έλαβαν χώρα και εντοπίστηκε ύστερα από διεξοδική ανάλυση με περίθλαση ακτινών – Χ ότι κανένα από αυτά δεν οδηγούσε στο επιθυμητό αποτέλεσμα, δηλαδή την σύνθεση της κυβικής κρυσταλλικής δομή β – Cu2Se. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού, δύο βήματα θέρμανσης με μεταβολή της ονομαστικής στοιχειομετρίας έλαβαν χώρα και έδωσαν τα επιθυμητά αποτελέσματα. Τα τελικά δείγματα που συντέθηκαν, είχαν μέγεθος κρυσταλλιτών στις νανοδιαστάσεις, σχετικά μεγαλύτερο σε σχέση με την τεχνική HEBM ενώ ήταν απαλλαγμένα από ανεπιθύμητες προσμείξεις. Στο βέλτιστο δείγμα, εισήχθησαν οι ίδιες προσμείξεις με την πρώτη μελέτη και εντοπίστηκαν όμοια αποτελέσματα με αυτή με την διαφορά ότι σε αυτή την περίπτωση, τα συσσωματώματα είχαν σχετικά μικρότερες διαστάσεις. Συμπερασματικά, με τις τεχνικές Μηχανικής Κραματοποίησης τύπου Υψηλής Ενέργειας Άλεσης σε Σφαιρόμυλο (High Energy Ball Milling) και Χημικής Εναπόθεσης Ατμών Στερεάς Κλίνης (Pack Cementation) επιτεύχθηκε η σύνθεση του νανοδομημένου σεληνιδίου του χαλκού. Για την επίτευξη αυτού, χρειάστηκαν πλήθος διαφορετικών πειραμάτων, με τροποποιήσεις και χαρακτηρισμούς σε διαφορετικές τεχνικές. Επίσης, εισήχθησαν με επιτυχία προσμείξεις ινδίου, αλουμινίου και γραφενίου. Το σύστημα αυτό, χρήζει επιπλέον μελέτες παρόλο αυτά, αναδεικνύει την δυνατότητα βιομηχανοποίησης του θερμοηλεκτρικού υλικού αυτού.
description: It is estimated that more than 70 % of the world's energy is released into the environment in the form of wasted energy. Today, there is growing interest in the synthesis and optimization of innovative thermoelectric materials to convert waste heat into electricity. In recent years, scientists have been interested in copper selenide, Cu2Se, which appears to have interesting thermoelectric characteristics. In this work, the synthesis of the nanostructured copper selenide was carried out using Mechanical Alloying - High Energy Ball Milling (ΗΕΒΜ) and Chemical Vapor Deposition Pack Cementation synthesis techniques. Regarding the HEBM technique, experiments varying the synthesis time, annealing temperature and time, temperature and pressure as well as the stoichiometry of the system were carried out. After X-ray diffraction analysis on each sample produced, it was found that varying the stoichiometry by decreasing the copper content gave the best results. Specifically, using this modification, it was achieved to provide the cubic crystal structure of β-Cu2Se with a crystal size in the nano dimensions with a sample free of strong amounts of oxides and undesirable impurities. In the optimum sample, indium, aluminium and graphene dopants were introduced in the form of nanoinclusions where their uniform distribution in the material was demonstrated by forming aggregates. Regarding the PC technique, similar experiments were carried out and it was identified after a thorough analysis by X-ray diffraction that, none of these modifications led to the desired result, i.e. the synthesis of the cubic crystal structure β-Cu2Se. To achieve this purpose, two heating steps with variation of nominal stoichiometry were carried out and gave the desired results. The final samples synthesized had a crystallite size in nano dimensions, relatively larger compared to the HEBM technique while being free of unwanted impurities. In the optimal sample, the same impurities were introduced as in the first study and similar results to this study were detected except that in this case, the aggregates had relatively smaller dimensions. In conclusion, by the techniques of Mechanical Alloying - High Energy Ball Milling and Chemical Vapor Deposition Pack Cementation the synthesis of nanostructured copper selenide was achieved. To achieve this, several different experiments were needed, with modifications and characterizations in different techniques. Also, indium, aluminium and graphene dopants were successfully introduced. This system needs further studies nevertheless, highlights the potential for industrialization of this thermoelectric material.