Yüksek verimli nadir toprak element katkılı N ve P tipi (BiSb)2Te3 termoelektrik bileşiklerin geliştirilmesi
Development of high efficient rare earth element added N and P type (BiSb)2Te3 thermoelectric compounds
Yazar: TUĞÇE MARAŞ
Danışman: DOÇ. DR. CİHAT BOYRAZ ; PROF. DR. SEDAT BALLIKAYA
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında N tipi ve P tipi (BiSb)2Te3 esaslı bileşiklere B, Ba, Yb gibi elementler ile katkılama yaparak ZT değerinin artırılması amaçlanmaktadır. (BiSb)2Te3 bileşikleri oda sıcaklığında yüksek ZT değeri göstermeleri ve soğutma ısıtma özelliklerinin yüksek olması nedeni ile üzerinde en çok çalışma yapılan bileşik gruplarından biridir. Yaygın çalışmalar yapılmış olmasına karşın nadir toprak elementleri ile katkılanmış (BiSb)2Te3 bileşiklerine yönelik çalışmaların sayısı oldukça kısıtlıdır. Bu sebeple hem literatürdeki bu önemli eksikliği gidermek hem de bu bileşiklerde verimliliğin artırılmasına yönelik yeni bir stratejinin geliştirilmesi bu çalışmanın temel hedefini oluşturmaktadır. Temel strateji, nadir toprak elementleri katkılanarak (BiSb)2Te3 bileşiklerde yapısal ve elektronik özelliklerinin değiştirilmesidir. Ba ve Yb elementleri atomik yarıçapı ve kütlesi büyük olan atomlar iken B atomunun buna karşın atomik yarıçapı ve kütlesi küçüktür. Birbirinden farklı atomik yarıçap, kütle ile elektro negatif değerlere sahip atomlarla katkılama yapıldığında termoelektrik (TE) özellikler değiştirilebilir. Özellikle (BiSb)2Te3 bileşiklerinde ana metal atomu olan Bi ve Sb tarafına bu atomların (Ba, Yb ve B) katkılanması ile noktasal kusur yoğunluğunun artması (farklı atomik yarıçap ve kütleden dolayı), böylece termal iletkenliğin düşürülmesi, metal atomu olmaları nedeniyle de yapıya elektron katkısı yaparak bileşiklerin yük yoğunluğunda bir değişim olması beklenir. Bu nedenle Seebeck katsayısı ve elektriksel iletkenlikte belli oranda bir artış sağlanmıştır. Bu tezde katıhal reaksiyon ve mekanik öğütme teknikleri ile hazırlanan bileşiklerin Seebeck katsayısı, elektriksel iletkenlik ve termal iletkenlik değerleri sıcaklığa bağlı ölçülerek termoelektrik özellikleri belirlenmiştir. Sentezlenen bileşiklerin yapısal özelliklerini ise XRD ve SEM analizleri ile karakterize edilmiştir. XRD analizleri tüm bileşiklerin katkılama oranı 0-0.3 olduğu durumda tek fazda olduğu yani (BiSb)2Te3 kristal yapısıyla tam uyumlu olduğu buna karşın katkılama oranı 0.5 olduğunda tüm bileşiklerde ikincil fazların belirgin şekilde ortaya çıktığını göstermiştir. SEM analizleri ise tüm bileşiklerin (katkılama oranı x=0.1) homojen bir yapıda olduğu ve katmanlı bir yapıda olduğunu göstermiştir. Yapılan transport ölçümlerinde ise hem N tipi hemde P tipinde elektriksel iletkenliğin katkılama (B, Ba ve Yb )  ile arttığı gözlemlenmiştir. Bunun nedeni katkılama ile taşıyıcı yoğunluğun artmasından kaynaklandığı düşünülmektedir. Sıcaklığa bağlı Seebeck katsayısı incelendiğinde ise beklenildiği gibi elektriksel iletkenliğin tersi olarak, katkılama ile Seebeck katsayısının azaldığı gözlemlenmiştir. Sıcaklığa bağlı termal iletkenlik dataları, katkılama miktarının artmasına bağlı olarak termal iletkenliğin arttığını göstermiştir. Bunun durum termal iletkenliğin elektronik katkısının (elektriksel iletkenliğin artmasından dolayı) artması ile ilişkilendirilmiştir. ZT değeri tüm bileşiklerde düşük katkılama (0.1) yapıldığında arttığı daha yüksek oranlarda katkılama yapıldığında ise ZT değerinin azaldığı gözlemlenmiştir. Tüm bu sonuçlar değerlendirildiğinde düşük oranda B, Ba ve Yb' nin katkılanmasının hem N tipi ve hem de P tipi termoelektrik özellikleri önemli oranda iyileştirdiğini göstermiştir..

Abstract:
This thesis aimed to increase the ZT value by doping N and P types (BiSb)2Te3-based compounds with elements such as B, Ba, Yb. (BiSb)2Te3 compounds are among the most studied compound groups due to their high ZT value at room temperature and high cooling and heating properties. Although extensive studies have been made, the number of studies on (BiSb)2Te3 compounds doped with rare earth elements is quite limited. For this reason, the main objective of this study is to develop a new strategy for both eliminating this important deficiency in the literature and increasing the efficiency of these compounds. The basic strategy is changing the structural and electronic properties of (BiSb)2Te3 compounds by doping with rare earth elements. While Ba and Yb elements are atoms with large atomic radius and mass, they are metal atoms, whereas the B atom has a small atomic radius and mass. Thermoelectric (TE) properties can be changed when doping with atoms with different atomic radius, mass and electronegative values. Especially in (BiSb)2Te3 compounds, Bi and Sb, which are the main metal atoms, cause an increase in point defect density (due to different atomic radius and mass) with metal (Ba, Yb, and B) doping and a decrease in thermal conductivity by changing the charge density of the compounds by contributing electrons to the structure. For this reason, a certain increase in Seebeck coefficient and electrical conductivity has been achieved. In this thesis, compounds were prepared by solid state and mechanical grinding techniques, and then the Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermal conductivity values were measured depending on the temperature. Its structural properties were characterized by XRD and SEM analysis. XRD analysis showed that all compounds were fully compatible with the (BiSb)2Te3 crystal structure in a single phase when the doping ratio was 0-0.3. On the other hand, it was observed that secondary phases appeared in all compounds when the doping ratio was 0.5. SEM analysis showed that all compounds had a homogeneous structure and a layered structure. These observations were found to be fully consistent with the literature. The transport measurements have shown that the electrical conductivity of both N type and P type increases with doping (B, Ba, Yb). This is thought to be due to the increase in carrier density with doping. When the temperature-dependent Seebeck coefficient was examined, it was observed that the Seebeck coefficient decreased with doping, as expected, as the reverse of the electrical conductivity. It has been observed that the thermal conductivity increases with doping as the thermal conductivity changes with temperature. This is due to the increase in electrical conductivity, which is the reason for the increase in the electronic contribution of thermal conductivity. For all compounds, an increase in ZT value (0.1) was observed at low doping, and a decrease was observed in higher doping. When all these results were evaluated, it was concluded that low doping proportions of B, Ba, Yb significantly improved the thermoelectric properties in doping N-type and P-type (BiSb)2Te3 compounds.