Βελτιστοποίηση των θερμοηλεκτρικών υλικών Bi2Te2.7Se0.3 &amp; Bi0.5Sb1.5Te3 με τις τεχνικές της θερμής συμπίεσης και της θερμής παραμόρφωσης
Creators: name: Καραγιάννης, Ιορδάνης Ευαγγέλου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Θερμή συμπίεση
Θερμή Παραμόρφωση
Θερμοηλεκτρισμός
Περίθλαση Ακτίνων X
Hot Press
Hot deformation
Thermoelectricity
Bi2Te2.7Se0.3
Bi0.5Sb1.5Te3
Thermoelectric Cooler (TEC)
X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

description: Τα θερμοηλεκτρικά υλικά έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή τα τελευταία έτη εξαιτίας της δυνατότητάς τους να μετατρέπουν την απορριπτόμενη θερμότητα σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Μεταξύ αυτών των υλικών, τα χαλκογενίδια και συγκεκριμένα τα υλικά με βάση το Bi2Te3 έχουν παρουσιάσει ελπιδοφόρες θερμοηλεκτρικές ιδιότητες, ιδίως όταν βελτιστοποιούνται ως προς τον αδιάστατο συντελεστή θερμοηλεκτρικής απόδοσης (zT) χρησιμοποιώντας είτε νανοσωματίδια είτε δομικές ατέλειες. Η παρούσα διπλωματική εργασία αποσκοπεί στη διερεύνηση της βελτιστοποίησης θερμοηλεκτρικών υλικών με βάση το Bi2Te3 από εμπορικές ράβδους (ingots) τύπου n- και p-, με την εισαγωγή νανοσωματιδίων ή ατελειών. Η παραγωγή υλικών με βάση το Bi2Te3 εισάγοντας είτε νανοσωματίδια είτε δομικές ατέλειες επιτυγχάνεται, αρχικά, μέσω της τεχνικής της σφαιρικής άλεσης των εμπορικών ingot σε ομογενή λεπτόκοκκη σκόνη, και έπειτα ακολουθείται από τις τεχνικές της θερμής συμπίεσης ή της θερμής παραμόρφωσης. Η σφαιρική άλεση είναι μια τεχνική επεξεργασίας σκόνης στερεάς κατάστασης που δημιουργεί μια ομοιογενή λεπτή σκόνη. Η θερμή συμπίεση ή η θερμή παραμόρφωση χρησιμοποιείται στη συνέχεια για τη συμπύκνωση της σκόνης, εισάγοντας δομικές ατέλειες, στο στερεό υλικό. Οι τεχνικές αυτές έχει αποδειχθεί ότι παράγουν υλικά με βελτιωμένες θερμοηλεκτρικές ιδιότητες. Αρχικά, θα μελετηθεί η στοιχειομετρία και η μορφολογία των εμπορικών p-n επαφών που βρίσκονται σε ένα εμπορικό TEC. Εφόσον, εντοπισθεί η στοιχειομέτρια των εμπορικών επαφών κατασκευάσθηκαν pellet της ίδιας στοιχειομετρίας από εμπορικά ingots, όπου θα χαρακτηριστούν με διάφορες τεχνικές, όπως περίθλαση ακτίνων Χ (XRD), σκέδαση φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS), ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), μετρήσεις θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητας, και θερμοσταθμική ανάλυση (TGA). Η τεχνική XRD χρησιμοποιείται για την ανάλυση της κρυσταλλικής δομής και τον εντοπισμό δευτερευόντων φάσεων ή/και προσμίξεων. Το XPS παρέχει πληροφορίες σχετικά με την επιφάνεια (μικρό βάθος πληροφορίας) και την χημική σύνθεση των υλικών. Το SEM-EDS χρησιμοποιείται για την εξέταση της μικροδομής, της μορφολογίας και της χημικής σύστασης των υλικών. Επιπλέον, πραγματοποιούνται μετρήσεις Hall με την τεχνική Van der Pauw για τον προσδιορισμό των ηλεκτρικών ιδιοτήτων μεταφοράς των παραγόμενων pellet. Επίσης, θα μελετηθεί η θερμική αγωγιμότητα μέσω της τεχνικής laser flash apparatus (LFA) με σκοπό την εκτίμηση των βασικών θερμοηλεκτρικών χαρακτηριστικών των pellet. Τέλος, με την τεχνική TGA θα προσδιοριστεί η θερμική σταθερότητα και η συμπεριφορά αποσύνθεσης των υλικών. Ο συνδυασμός αυτών των τεχνικών παρέχει μια ολοκληρωμένη κατανόηση της δομής, της σύνθεσης και των ιδιοτήτων των παραγόμενων υλικών, επιτρέποντας τη βελτιστοποίηση των θερμοηλεκτρικών ιδιοτήτων τους. Συνολικά, η παρούσα διπλωματική εργασία παρέχει πληροφορίες σχετικά με την παραγωγή και τον χαρακτηρισμό χαλκογονιδίων με βάση το Bi2Te3 για θερμοηλεκτρικές εφαρμογές. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την παρούσα μελέτη είναι χρήσιμα για την ανάπτυξη θερμοηλεκτρικών υλικών υψηλής απόδοσης.
description: Thermoelectric materials have attracted a great deal of attention in recent years due to their potential to convert waste heat into useful electrical energy. Among these materials, chalcogenides materials and specifically Bi2Te3 based have shown promising thermoelectric properties, especially when optimized for their figure of merit (zT) using either nanocomposites or defects. This master thesis aims to investigate the optimization of Bi2Te3-based thermoelectric materials from commercial ingots p- and n-type, through the introduction of nanocomposites or defects. The production of Bi2Te3-based materials introducing either nanocomposites or defects is achieved, initially, through the ball milling technique, converting the commercial ingots into fine powder, and then is followed by hot pressing or hot deformation techniques. Ball Milling is a solid-state powder processing technique that creates a homogenous fine powder. Hot pressing or hot deformation is then used to densify the powder into a solid material. These techniques have been shown to produce materials with enhanced thermoelectric properties. Initially, the stoichiometry and the morphology of the commercial pair of p-n legs located in a commercial TEC are studied. Once the stoichiometry of the materials is confirmed, pellets of the same stoichiometry and materials are produced and characterized using several techniques, including X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron scattering (XPS), scanning electron microscopy (SEM), and thermogravimetric analysis (TGA). XRD is used to analyse the crystal structure and identify any impurities present. XPS provides information about the surface and chemical composition of the materials. SEM-EDS is used to examine the microstructure and morphology of the materials. Hall measurements are conducted to determine the electrical transport properties of the produced pellets. Furthermore, the thermal conductivity is studied using the laser flash apparatus (LFA) technique in order to evaluate the basic thermoelectric characteristics of the pellets. Finally, TGA determines the thermal stability and decomposition behaviour of the materials. The combination of these techniques provides a comprehensive understanding of the structure, composition, and properties of the produced materials, allowing for the optimization of their thermoelectric properties. Overall, this dissertation provides insights into the production and characterization of Bi2Te3-based chalcogenides for thermoelectric applications. The results obtained from this study can be useful for developing high-performance thermoelectric materials.