--

17 (2) 2022

Nâng cao hệ số công suất nhiệt điện của vật liệu bán dẫn loại p Mg3Sb2 thông qua đồng pha tạp hai nguyên tố Si và Fe


Tác giả - Nơi làm việc:
Mạc Trung Kiên - Trường Đại học Phenikaa, Yên Nghĩa, Hà Đông, Hà Nội Viện nghiên cứu và công nghệ Phenikaa, Yên Nghĩa, Hà Đông, Hà Nội , Việt Nam
Tạ Thị Thu - Trường Đại học Phenikaa, Yên Nghĩa, Hà Đông, Hà Nội Viện nghiên cứu và công nghệ Phenikaa, Yên Nghĩa, Hà Đông, Hà Nội , Việt Nam
Nguyễn Hữu Tuân - Trường Đại học Phenikaa, Yên Nghĩa, Hà Đông, Hà Nội Viện nghiên cứu và công nghệ Phenikaa, Yên Nghĩa, Hà Đông, Hà Nội , Việt Nam
Trần Đăng Thành - Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và công nghệ Việt Nam, Hà Nội , Việt Nam
Dương Anh Tuấn - Trường Đại học Phenikaa, Yên Nghĩa, Hà Đông, Hà Nội Viện nghiên cứu và công nghệ Phenikaa, Yên Nghĩa, Hà Đông, Hà Nội , Việt Nam
Tác giả liên hệ, Email: Dương Anh Tuấn - tuan.duonganh@phenikaa-uni.edu.vn
Ngày nộp: 12-05-2022
Ngày duyệt đăng: 18-05-2022
Ngày xuất bản: 16-09-2022

Tóm tắt
Hợp chất Zinlt Mg3Sb2 được biết đến là bán dẫn loại p vùng cấm hẹp và được coi là vật liệu nhiệt điện mang những tính chất đầy hứa hẹn vì các nguyên tố không độc hại, thân thiện với môi trường và giá thành thấp. Trong nghiên cứu này, các hợp chất Mg3Sb2 pha tạp Si và đồng pha tạp Fe và Si được chế tạo thành công bằng phương pháp phản ứng pha rắn (kết hợp của nghiền bi năng lượng cao, ép nóng và nung thêu kết). Ảnh hưởng của việc pha tạp Si và đồng pha tạp Fe, Si vào Mg3Sb2 được khảo sát trong khoảng nhiệt độ từ 300 đến 673K. Các pha tạp chất xuất hiện trong các mẫu pha tạp được quan sát và phân tích thông qua phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) và ảnh FE-SEM. Kết quả phân tích tính chất nhiệt điện cho thấy độ dẫn điện trong mẫu pha tạp Si được cải thiện gấp 02 lần trong khi mẫu đồng pha tạp Fe, Si, hệ số Seebeck được tăng cường đáng kể so với mẫu Mg3Sb2 không pha tạp. Giá trị hệ số công suất cao nhất cho mẫu Mg3Sb1.4Fe0.5Si0.1 đạt 1.8 μWcm-1K-2 ở 673K, gấp 2.2 lần so với mẫu không pha tạp.Hợp chất Zinlt Mg3Sb2 được biết đến là bán dẫn loại p vùng cấm hẹp và được coi là vật liệu nhiệt điện mang những tính chất đầy hứa hẹn vì các nguyên tố không độc hại, thân thiện với môi trường và giá thành thấp. Trong nghiên cứu này, các hợp chất Mg3Sb2 pha tạp Si và đồng pha tạp Fe và Si được chế tạo thành công bằng phương pháp phản ứng pha rắn (kết hợp của nghiền bi năng lượng cao, ép nóng và nung thêu kết). Ảnh hưởng của việc pha tạp Si và đồng pha tạp Fe, Si vào Mg3Sb2 được khảo sát trong khoảng nhiệt độ từ 300 đến 673K. Các pha tạp chất xuất hiện trong các mẫu pha tạp được quan sát và phân tích thông qua phép đo nhiễu xạ tia X (XRD) và ảnh FE-SEM. Kết quả phân tích tính chất nhiệt điện cho thấy độ dẫn điện trong mẫu pha tạp Si được cải thiện gấp 02 lần trong khi mẫu đồng pha tạp Fe, Si, hệ số Seebeck được tăng cường đáng kể so với mẫu Mg3Sb2 không pha tạp. Giá trị hệ số công suất cao nhất cho mẫu Mg3Sb1.4Fe0.5Si0.1 đạt 1.8 μWcm-1K-2 ở 673K, gấp 2.2 lần so với mẫu không pha tạp.

Từ khóa
bán dẫn; đồng pha tạp; Mg3Sb2; vật liệu nhiệt điện

Toàn văn:
PDF

Trích dẫn:

Mac, K. T., Ta, T. T., Nguyen, T. H., Tran, T. D., & Duong, T. A. (2022). Nâng cao hệ số công suất nhiệt điện của vật liệu bán dẫn loại p Mg3Sb2 thông qua đồng pha tạp hai nguyên tố Si và Fe [Enhanced thermoelectric power factor of p-type Mg3Sb2 via co-doping of Si and Fe]. Tạp chí Khoa học Đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh – Kỹ thuật và Công Nghệ, 17(2), 104-111. doi:10.46223/HCMCOUJS.tech.vi.17.2.2290.2022


Tài liệu tham khảo

Caylor, J. C., Coonley, K., Stuart, J., Colpitts, T., & Venkatasubramanian, R. (2005). Enhanced thermoelectric performance in PbTe-based superlattice structures from reduction of lattice thermal conductivity. Apply Physics Letter, 87(2), 1-4. doi:10.1063/1.1992662


Champier, D. (2017). Thermoelectric generators : A review of applications. Energy Conversion and Management, 140, 167-181. doi:10.1016/j.enconman.2017.02.070


Chang, C., Wu, M., He, D., Pei, Y., Wu, C. F., Wu, X., … Zhao, L. D. (2018). 3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals. Science, 360(6390), 778-783. doi:10.1126/science.aaq1479


Duong, T. A., Nguyen, Q. V., Duvjir, G., Duong, T. V., Kwon, S., Song, J. Y., … Cho, S. (2016). Achieving ZT=2.2 with Bi-doped n-type SnSe single crystals. Nature Communications, 7, 1-6. doi:10.1038/ncomms13713


Fu, C., Bai, S., Liu, Y., Tang, Y., Chen, L., Zhao, X., & Zhu, T. (2015). Realizing high figure of merit in heavy-band p-type half-Heusler thermoelectric materials. Nature Communications, 6, 1-7. doi:10.1038/ncomms9144


Fu, Y., Zhang, X., Liu, H., Tian, J., & Zhang, J. (2018). Thermoelectric properties of Ag-doped compound: Mg3-xAgxSb2. Journal of Materiomics, 4(1), 75-79. doi:10.1016/j.jmat.2017.12.002


Kim, S. Il, Mun, H. A., Kim, H. S., Hwang, S. W., Roh, J. W., Yang, D. J., … Kim, S. W. (2015). Dense dislocation arrays embedded in grain boundaries for high-performance bulk thermoelectrics. Science, 348(6230), 109-114. doi:10.1126/science.aaa4166


Mao, J., Wu, Y., Song, S., Zhu, Q., Shuai, J., Liu, Z., Pei, Y., & Ren, Z. (2017). Defect engineering for realizing high thermoelectric performance in n-Type Mg3Sb2 based materials. ACS Energy Letters, 2(10), 2245-2250. doi:10.1021/acsenergylett.7b00742


Nshimyimana, E., Hao, S., Su, X., Zhang, C., Liu, W., Yan, Y., … Tang, X. (2020). Discordant nature of Cd in GeTe enhances phonon scattering and improves band convergence for high thermoelectric performance. Journal of Materials Chemistry A, 8(3), 1193-1204. doi:10.1039/c9ta10436d


Ohno, S., Imasato, K., Anand, S., Tamaki, H., Kang, S. D., Gorai, P., … Snyder, G. J.(2018). Phase boundary mapping to obtain n-type Mg3Sb2-Based thermoelectrics. Joule, 2(1), 141-154. doi:10.1016/j.joule.2017.11.005


Ren, Z., Shuai, J., Mao, J., Zhu, Q., Song, S., Ni, Y., & Chen, S. (2018). Significantly enhanced thermoelectric properties of p-type Mg3Sb2 via co-doping of Na and Zn. Acta Materialia, 143, 265-271. doi:10.1016/j.actamat.2017.10.015


Shin, W. H., Roh, J. W., Ryu, B., Chang, H. J., Kim, H. S., Lee, S., … Ahn, K. (2018). Enhancing thermoelectric performances of bismuth antimony telluride via synergistic combination of multiscale structuring and band alignment by FeTe2 incorporation. ACS Applied Materials and Interfaces, 10(4), 3689-3698. doi:10.1021/acsami.7b18451


Shuai, J., Wang, Y., Kim, H. S., Liu, Z., Sun, J., Chen, S., … Ren, Z. (2015). Thermoelectric properties of Na-doped Zintl compound: Mg3-xNaxSb2. Acta Materialia, 93, 187-193. doi:10.1016/j.actamat.2015.04.023


Tamaki, H., Sato, H. K., & Kanno, T. (2016). Isotropic conduction network and defect chemistry in Mg3+δSb2-Based layered zintl compounds with high thermoelectric performance. Advanced Materials, 28(46), 10182-10187. doi:10.1002/adma.201603955


Tang, X., Zhang, B., Zhang, X., Wang, S., Lu, X., Han, G., … Zhou, X. (2020). Enhancing the Thermoelectric Performance of p-Type Mg3Sb2 via Codoping of Li and Cd. ACS Applied Materials and Interfaces, 12(7), 8359-8365. doi:10.1021/acsami.9b23059


Wang, Y., Zhang, X., Liu, Y. Q., Zhang, J. X., & Yue, M. (2020). Significant role of nanoscale Bi-rich phase in optimizing thermoelectric performance of Mg3Sb2. Chinese Physics B, 29(6), 2-8. doi:10.1088/1674-1056/ab84cd


Wang, Y., Zhang, X., Liu, Y., Wang, Y., Zhang, J., & Yue, M. (2020). Optimizing the thermoelectric performance of p-type Mg3Sb2 by Sn doping. Vacuum, 177, Article 109388. doi:10.1016/j.vacuum.2020.109388


Xiao, S., Peng, K., Zhou, Z., Wang, H., Zheng, S., Lu, X., … Zhou, X. (2021). Realizing Cd and Ag codoping in p-type Mg3Sb2 toward high thermoelectric performance. Journal of Magnesium and Alloys. doi:10.1016/j.jma.2021.09.012


Yang, L., Chen, Z. G., Han, G., Hong, M., Zou, Y., & Zou, J. (2015). High-performance thermoelectric Cu2Se nanoplates through nanostructure engineering. Nano Energy, 16, 367-374. doi:10.1016/j.nanoen.2015.07.012


Yangzhong, W., Zhang, X., Wang, Y., Liu, H., & Zhang, J. (2019). Enhanced thermoelectric properties of n-type Mg3Sb2 by excess magnesium and tellurium doping. Physica Status Solidi (A) Applications and Materials Science, 216(6), 1-6. doi:10.1002/pssa.201800811


Yu, J., Zhao, W., Zhou, H., Wei, P., & Zhang, Q. (2013). Rapid preparation and thermoelectric properties of Ba and In double-filled p-type skutterudite bulk materials. Scripta Materialia, 68(8), 643-646. doi:10.1016/j.scriptamat.2012.12.029


Zhu, H., Mao, J., Li, Y., Sun, J., Wang, Y., Zhu, Q., … Ren, Z. (2019). Discovery of TaFeSb-based half-Heuslers with high thermoelectric performance. Nature Communications, 10, 1-8. doi:10.1038/s41467-018-08223-5



Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.