Kompozit, katkılama yöntemleri ve YFK kullanılarak yeni yarı-Heusler termoelektrik malzemelerin geliştirilmesi
Development of new half-Heusler thermoelectric materials using composite, doping techniques, and density functional theory (DFT)
Yazar: ENES İBRAHİM DÜDEN
Danışman: PROF. DR. SERVET TURAN ; PROF. DR. CEM SEVİK
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Nanokompozitler = Nanocomposites

Özet:
Termoelektrik malzemelerin, gelecekte yenilenebilir enerji kaynakları arasında önemli bir rol üstlenmesi beklenmektedir. Ancak, günümüzde özellikle yarı-Heusler bileşiklerinin düşük verimlilikleri bu teknolojileri dezavantajlı hale getirmektedir. Bu tez, bu dezavantajı aşmak ve termoelektrik teknolojinin endüstrileşmesine katkı sağlamak amacıyla, malzeme performansını ve dolaylı olarak cihaz verimliliğini artırma yönünde yapılan deneysel ve teorik çalışmaları ele almaktadır. Bu bağlamda, 600oC-1000oC aralığında en yüksek termoelektrik malzeme performansına sahip olanlardan biri olan Ti0.5Zr0.25Hf0.25NiSn0.98Sb0.02 yarı-Heusler bileşiğine mikro ve nano ölçekte tantal ve molibden ilavesi ile termoelektrik malzeme performansında %10 ile %25 arasında artış sağlanmıştır. Ayrıca, yeni, çift yarı-Heusler bileşiği olarak Ta2FeNiSn2, Nb2FeNiSn2 ve V2FeNiSn2 bileşikleri, Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi ile literatürde ilk defa teorik olarak hesaplanmış ve deneysel olarak sentez çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Son bölümde, yine bu gruptan olan Ti2FeNiSb2 çift-yarı-Heusler teorik ve deneysel olarak üretilip her iki çalışma sonucu elde edilen elektronik taşınım özellikleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Bunun akabinde bu yapıdaki titanyum yerine deneysel çalışmalarla kısmi olarak zirkonyum, niyobyum ve vanadyum katkılamaları ile malzeme performansında %250 civarında bir artış elde edilmiştir. Elde edilen bu bulgular, yeni termoelektrik malzemelerin keşfine ve performansının artırılmasına önemli ölçüde katkıda bulunarak, gelecekte daha verimli termoelektrik cihazların geliştirilmesini desteklemektedir.

Abstract:
Thermoelectric materials are expected to play a significant role in future renewable energy sources. However, the current low efficiency of particularly half-Heusler compounds renders these technologies less competitive. This thesis addresses the limitations by improving material performance to enhance device efficiency with experimental and theoretical studies aimed at industrializing thermoelectric technology. In this context, the half-Heusler compound Ti0.5Zr0.25Hf0.25NiSn0.98Sb0.02, which exhibits one of the highest thermoelectric performances in the 600°C to 1000°C range, has shown a performance increase of 10% to 25% upon the addition of tantalum and molybdenum at micro and nano scales using a composite approach. Furthermore, new, double half- Heusler compounds Ta2FeNiSn2, Nb2FeNiSn2, and V2FeNiSn2 have been theoretically calculated using DFT in detail and subsequently synthesized and characterized experimentally for the first time in the literature. In the las part, the double half-Heusler compound Ti2FeNiSb2 has been theoretically and experimentally developed, with a comparative analysis of electronic transport properties. Based on the obtained results, the importance of determining the correct relaxation time in the calculation of electronic transport properties is emphasized. Subsequently, by partially substituting titanium with zirconium, niobium, and vanadium in the structure experimentally, a remarkable 250% performance improvement was achieved. The findings contribute significantly to the discovery and performance enhancement of new thermoelectric materials, supporting the development of more efficient thermoelectric devices in the future.