Sifat Termoelektrik dari SnSe Polikristalin Tipe-n Bi-Doped yang Ditekan Panas

Hasil dan Diskusi

Pola XRD suhu kamar sampel SnSe:Bi 4% di kedua arah dan // ditunjukkan pada Gambar. 1, yang diindeks berdasarkan fase SnSe ortorombik (grup ruang Pnma ). Dalam pola, ada beberapa puncak kecil, yang diidentifikasi sebagai rombohedral Bi. Fasa sekunder Bi yang dominan ini menunjukkan bahwa SnSe tidak terurai pada 800 °C dan fasa lain seperti BiSnSe atau Bi₂ Se₃ tidak terbentuk. Parameter kisi rata-rata yang diperkirakan dari pola XRD adalah a = 11.469, b = 4.143, dan c = 4.435 , sesuai dengan laporan sebelumnya [1, 4]. Pola-pola tersebut juga menunjukkan intensitas puncak yang kuat (400) pada bidang yang sejajar dengan arah penekanan, yang menunjukkan bahwa butir lebih disukai disejajarkan sepanjang arah [h00] karena struktur berlapis SnSe.

(Warna online) Pola XRD suhu ruangan untuk SnSe:Bi 4% tegak lurus (warna merah) dan paralel (warna biru) dengan arah penekanan seperti yang diilustrasikan pada sisipan. Gambar tersebut menunjukkan struktur ortorombik dan adanya fase Bi belah ketupat

Gambar SEM permukaan dari sampel SnSe:Bi 4% (a, b) dan SnSe:Bi 6% (c, d) yang retak ditunjukkan pada Gambar. 2, yang diambil pada bidang yang sejajar dengan arah pengepresan seperti yang didefinisikan dalam Gambar 2. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, sampel kami menunjukkan struktur berlapis dengan fragmen lapisan yang cenderung terletak pada bidang. Beberapa lapisan miring terlihat pada Gambar. 2b, c. Di sisi lain, ketika kandungan doping Bi meningkat dari 4 menjadi 6%, ukuran butir yang diperkirakan meningkat dari 3 menjadi 10 m. Pengamatan ini menunjukkan bahwa Bi tidak hanya menggantikan Sn tetapi juga berperan sebagai fluks yang menyebabkan peningkatan ukuran butir.

Gambar FE-SEM dari permukaan yang retak di sepanjang arah sampel SnSe:Bi 4% (a , b ) dan SnSe:Bi 6% (c , d ). Gambar FE-SEM menunjukkan struktur berlapis dan lapisan dominan pada bidang tegak lurus dengan arah penekanan

Koefisien Seebeck (S), konduktivitas listrik, dan faktor daya sampel yang bergantung pada suhu untuk arah dan // ditunjukkan pada Gambar. 3. Gambar tersebut menunjukkan sifat transpor anisotropik, yang bergantung pada arah pengepresan. Konduktivitas listrik di sepanjang arah lebih tinggi daripada di sepanjang arah // karena orientasi yang lebih disukai dari sampel yang ditekan panas seperti yang disebutkan di atas. Pada sampel tipe n, pada arah konduktivitas listrik meningkat dengan kandungan Bi, sedangkan pada arah // mencapai nilai maksimum pada sampel SnSe:Bi 6% dan kemudian menurun pada sampel SnSe:Bi 8% . Konduktivitas listrik di semua sampel sepanjang kedua arah naik dengan suhu, menunjukkan perilaku semikonduktor yang khas seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, d. Tidak ada perilaku logam di atas 700 K dalam data kami, yang berbeda dari laporan sebelumnya karena penguapan kembali Se pada suhu tinggi [1, 13]. Perilaku ini menegaskan stabilitas sampel kami dengan rentang suhu terukur di bawah atmosfer Ar.

(Warna online) Ketergantungan suhu pada konduktivitas listrik (a , d ), koefisien Seebeck (b , e ), dan faktor daya (c , f ) sampel dengan berbagai konten Bi sepanjang dan // arah seperti yang didefinisikan dalam inset a dan d , di mana panah hitam menunjukkan arah tekan P. Faktor daya maksimum tipe-n sebagai fungsi konten Bi ditunjukkan pada sisipan c dan f

Sebuah anisotropi kecil dalam koefisien Seebeck diamati seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, e. Koefisien Seebeck positif diamati pada sampel yang tidak didoping, sedangkan koefisien Seebeck yang negatif diamati pada sampel yang didoping Bi, menunjukkan substitusi Bi ke situs Sn. Kurva koefisien Seebeck yang bergantung pada suhu dari sampel yang didoping Bi menunjukkan transisi tipe n ke p. Sepanjang arah , suhu transisi masing-masing adalah 492, 730, dan 762 K untuk sampel SnSe:Bi 2, 4, dan 6%, sementara tidak ada transisi yang diamati untuk sampel SnSe:Bi 8%. Sepanjang arah //, transisi diamati pada 541 K hanya untuk sampel SnSe:Bi 2%. Tidak adanya transisi tipe-n ke p di beberapa sampel mungkin disebabkan oleh suhu transisi yang lebih tinggi daripada suhu terukur maksimum kami, 773 K. Transisi tipe-n ke p ini terkait dengan mekanisme konduksi bipolar dalam sampel kami. Bi tersubstitusi memberikan elektron ke pita konduksi dan kekosongan Sn, bermain sebagai akseptor, dan menghasilkan lubang di pita valensi. Ketika suhu meningkat dari 300 K, pengotor donor diaktifkan dan kemudian konduksi tipe-n dominan. Akibatnya, S . negatif tercapai. Ketika suhu di atas titik kritis, elektron dalam pita valensi mendapatkan energi panas yang cukup untuk naik ke tingkat akseptor dan kemudian lubang dihasilkan. Ketika lubang menjadi pembawa muatan dominan, S positive positif tercapai. Kontribusi elektron dan lubang untuk S saling mengkompensasi dan mengurangi S . Sejak, S dapat dihitung dengan rumus semikonduktor berikut:

dimana S adalah koefisien Seebeck total, n dan p adalah elektron dan konsentrasi lubang, μ _p dan μ _n adalah mobilitas elektron dan lubang, dan S _p dan S _n adalah kontribusi elektron dan lubang untuk S . Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3b, e, suhu transisi tipe-n ke p sepanjang arah lebih rendah daripada di sepanjang arah //. Pengamatan ini dapat dengan mudah dipahami karena konduktivitas listrik yang lebih tinggi, yang menunjukkan mobilitas pembawa muatan yang lebih tinggi di sepanjang arah daripada di sepanjang arah //. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3a, b, d, dan e, di bawah suhu transisi, pembawa elektron dominan dan mobilitasnya sepanjang arah lebih besar daripada mobilitas elektron sepanjang arah //. Namun, di atas transisi, pembawa lubang dominan dengan mobilitas lubang yang jauh lebih tinggi sepanjang arah . Jadi, transisi koefisien Seebeck sepanjang arah terjadi terlebih dahulu. Suhu transisi ini juga meningkat dengan konten Bi, menunjukkan substitusi Bi untuk Sn dalam kisi SnSe. Sebagai hasil dari koefisien Seebeck dan konduktivitas listrik yang kecil, nilai faktor daya yang dicapai sangat kecil (Gbr. 3c, f). Sisipan dari Gambar 3c, f menunjukkan faktor daya maksimum sampel tipe-n sebagai fungsi dari kandungan Bi. Nilai faktor daya ini lebih tinggi di sepanjang arah // daripada di sepanjang arah Faktor daya mencapai nilai maksimum 0,19 W/cm K ² di SnSe:Bi 6% sampel sepanjang arah //.

Gambar 4 menunjukkan ketergantungan suhu kapasitas panas (C _p ), difusivitas termal (D ), dan konduktivitas termal (κ ) dari sampel polikristalin SnSe:Bi 6% dan SnSe:Bi 8% di kedua arah, yang menunjukkan faktor daya yang lebih tinggi. Konduktivitas termal terendah 0,544 W/m K diperoleh sepanjang arah // pada sampel 723 K SnSe:Bi 6% (Gbr. 4c). Konduktivitas termal sepanjang kedua arah sebanding dengan laporan lain untuk polikristalin SnSe [1, 9,10,11,12,13] dan lebih rendah dari kristal tunggal SnSe:Na [6]. Namun, nilai-nilai ini lebih tinggi daripada SnSe tipe-p yang tidak didoping [5] dan kristal tunggal SnSe tipe-n yang tidak didoping [7]. Perhatikan bahwa konduktivitas termal sebanding dengan kerapatan massa, kapasitas panas, dan difusivitas termal material. Sampel polikristalin diharapkan memiliki nilai konduktivitas termal yang sama atau bahkan lebih rendah karena hamburan fonon tambahan oleh batas butir. Salah satu alasan yang mungkin untuk konduktivitas termal yang tinggi ini disarankan oleh Zhao et al. [6] sebagai oksidasi permukaan sampel karena paparan udara. Namun, Ibrahim dkk. [15] tidak setuju dengan pendapat ini. Alasan lain untuk konduktivitas termal yang tinggi adalah retakan mikro dalam sampel, yang dapat menggandakan konduktivitas termal SnSe yang disarankan oleh Zhao et al. [16]. Retak mikro ini mungkin berasal dari proses pemotongan dan pemolesan selama preparasi sampel untuk pengukuran difusivitas termal. Dalam karya ini, kami mengambil nilai kapasitas panas dari karya Sassi [1] untuk SnSe polikristalin, yang lebih tinggi daripada SnSe kristal tunggal pada [5, 7] seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Perhatikan bahwa kami telah mengekstrapolasi secara linear kapasitas panas bergantung suhu Sassi dari 300 hingga 773 K. Difusivitas termal yang diukur lebih tinggi di sepanjang garis tegak lurus dan sebanding di sepanjang arah paralel dibandingkan dengan di sepanjang b -sumbu untuk kristal tunggal SnSe tipe-n yang didoping-bi (Gbr. 4b). Kepadatan massa sebanding dengan sampel kristal tunggal SnSe Bi-doped tipe-n [7], 6,11 dan 6,09 g/cm ⁻³ untuk sampel SnSe:Bi masing-masing 6% dan 8%. Oleh karena itu, kami menyimpulkan bahwa konduktivitas termal yang lebih tinggi dalam sampel polikristalin kami daripada sampel kristal tunggal berasal dari nilai difusivitas termal dan panas spesifik yang lebih tinggi.

(Warna online) Ketergantungan suhu pada kapasitas panas (C _p ) diambil dari [1] (a ), difusivitas termal (D ) (b ), dan konduktivitas termal (κ ) sampel SnSe:Bi 6% dan SnSe:Bi 8% sepanjang arah dan // dibandingkan dengan kristal tunggal SnSe tipe-n yang didoping-bi [7] (c , d )

Angka tak berdimensi nilai merit ZT sebagai fungsi suhu untuk sampel ini sepanjang kedua arah ditunjukkan pada Gambar. 5. ZT tertinggi 0,025 diperoleh pada 723 K sepanjang arah // untuk sampel SnSe:Bi 6%, yang tampaknya menjadi kandungan doping yang optimal. Karena konduktivitas listrik yang kecil, konduktivitas termal total sebagian besar dikaitkan dengan konduktivitas termal kisi. Oleh karena itu, konduktivitas termal yang lebih rendah diperoleh sepanjang arah // karena koneksi atom yang lemah. Akibatnya, nilai ZT yang lebih tinggi diperoleh di sepanjang arah //. Namun, nilai ZT ini cukup kecil dibandingkan dengan kristal tunggal atau bahkan SnSe polikristalin lainnya karena S yang lebih rendah. dan σ nilai.

(Warna online) Ketergantungan suhu dari gambar termoelektrik tak berdimensi keunggulan sampel polikristalin SnSe:Bi 6% dan SnSe:Bi 8% di sepanjang kedua (a ) dan // (b ) petunjuk arah