Pembuatan SnSe Polikristal n‑Tipe Doped Bi dengan Tekan Panas: Transport Anisotropik dan Transisi Bipolar
Abstrak
Kami melaporkan sintesis sukses SnSe polikristal n‑tipe doped Bi melalui rute tekan panas. Sampel menunjukkan anisotropi yang mencolok dalam transportasi listrik dan termal, yang dikaitkan dengan orientasi butiran (h00) preferensial sepanjang sumbu tekanan. Pada 773 K, spesimen doped Bi 8 % menunjukkan konduktivitas listrik 12,85 S cm⁻¹ tegak lurus terhadap arah tekanan dan 6,46 S cm⁻¹ paralel padanya; nilai konduktivitas termal adalah 0,81 W m⁻¹ K⁻¹ dan 0,60 W m⁻¹ K⁻¹, masing-masing. Mekanisme konduksi bipolar mengakibatkan transisi n‑ke‑p yang suhunya naik seiring bertambahnya kandungan Bi. Temuan kami menunjukkan bahwa tekan panas dapat secara efektif melakukan doping pada SnSe polikristal, membuka jalan menuju perangkat termoelektrik skala modul.
Highlights
SnSe polikristal n‑tipe doped Bi berhasil difabrikasi menggunakan tekan panas.
Properti transport anisotropik timbul dari orientasi butiran (h00) preferensial sepanjang arah tekanan.
Konduksi bipolar menyebabkan transisi n‑ke‑p driven suhu pada sampel.
Latar Belakang
Materi termoelektrik mengubah panas buangan menjadi listrik atau memberikan pendingin padat tanpa bagian bergerak, kebisingan, atau polutan. Efisiensi mereka diukur oleh angka merit tanpa dimensi, ZT = S²σT/κ, di mana S adalah koefisien Seebeck, σ konduktivitas listrik, T suhu mutlak, dan κ konduktivitas termal total. Optimasi ZT memerlukan koefisien Seebeck dan konduktivitas listrik yang tinggi sambil menekan konduktivitas termal—seimbang yang inherent sulit karena properti ini saling bergantung.
Termoelektrik berbasis timbal tradisional seperti Bi₂Te₃ dan PbTe telah memberikan nilai ZT hingga 2,2, tetapi kelangkaan dan toksisitasnya membatasi skalabilitas. Sebaliknya, semikonductor IV–VI SnSe telah muncul sebagai alternatif bebas timbal yang menjanjikan, mencapai ZT ≈ 2,6 pada 923 K pada kristal tunggal p‑tipe dan ZT ≈ 2,0 pada 773 K pada varian yang disengaja di-dop lubang. Performa luar biasa ini berasal dari konduktivitas termal jaring ultrarendah SnSe, yang dijalankan oleh ikatan resonansi dan pencaran fonon anharmonik yang kuat.
Sementara kristal tunggal SnSe menunjukkan properti termoelektrik luar biasa, kerapuhannya dan kesulitan pertumbuhan kristal skala besar menghambat aplikasi praktis. SnSe polikristal, yang difabrikasi dengan tekan panas atau sinterisasi plasma sentulan, menawarkan rute yang lebih dapat diproduksi, meskipun nilai ZT yang dilaporkan untuk bentuk polikristal yang di-dop masih di bawah 1,2. Studi ini difokuskan pada SnSe polikristal n‑tipe doped Bi, menyelidiki perilaku transport anisotropik dan konduksi bipolar untuk mengevaluasi kesesuaiannya untuk integrasi modul.
Metode/Eksperimen
Tujuan adalah menyintesis SnSe n‑tipe doped Bi dengan 0–8 % Bi dan menilai performa termoelektriknya. Semua prosedur dilakukan di bawah atmosfer Ar iners untuk mencegah oksidasi.
Pembuatan Senyawa SnSe dengan Teknik Gradien Suhu
Bubuk Sn dan Se murni tinggi (99,999 %) (rasio atom 1:1) diuntikan dalam ampul kuarsa evakuasi (<10⁻⁴ Torr) dan kemudian dilindungi dalam ampul sekunder untuk keselamatan. Campuran dipanaskan hingga 600 °C selama 30 jam, kemudian hingga 950 °C selama 35 jam, dipelihara selama 16 jam, dan akhirnya didinginkan perlahan ke suhu kamar. Batangan yang dihasilkan berukuran 13 mm × 25 mm.
Pembuatan Sampel Polikristal SnSe n‑Tipe Doped Bi dengan Teknik Tekan Panas
Bubuk batangan digiling dan dicampur dengan Bi (0–8 %) selama 1 jam, dimuat dalam cetakan 13 mm, dan ditekan panas pada 800 °C di bawah tekanan Ar 30 MPa selama 30 meni, menghasilkan pelet padat (13 mm × 15 mm).
Karakterisasi
Diffraksi sinar X (XRD) diukur baik paralel maupun tegak lurus terhadap arah tekanan. FE‑SEM memeriksa permukaan pecahan. Sampel dipotong menjadi batang 2 × 1,5 × 8 mm untuk pengukuran transportasi dan cakram 13 × 13 × 1,5 mm untuk difusivitas termal. Konduktivitas listrik dan koefisien Seebeck direkam dari 300 K hingga 773 K menggunakan pengaturan empat probe di bawah Ar. Difusivitas termal diperoleh dengan sinar flash (model LFA‑457, NETZSCH). Massa jenis diperoleh dari pengukuran dimensi; kalor spesifik diambil dari literatur untuk SnSe polikristal. Konduktivitas termal dihitung sebagai κ = DCₚρ.
Hasil dan Pembahasan
Pola XRD sampel 4 % Bi dalam kedua orientasi mengungkapkan fase SnSe ortorombik murni (Pnma) dengan impuritas Bi rombohedral minor. Puncak (400) yang kuat dalam orientasi paralel mengonfirmasi penyelarasan butiran (h00) sepanjang sumbu tekanan.
Citra FE‑SEM menunjukkan mikrostruktur berlapis dengan ukuran butiran yang meningkat dari ~3 µm (4 % Bi) hingga ~10 µm (6 % Bi), yang menunjukkan bahwa Bi bertindak sebagai flux dan mempromosikan pertumbuhan butiran.
Pengukuran transportasi menunjukkan anisotropi yang jelas: konduktivitas listrik lebih tinggi tegak lurus terhadap arah tekanan. Untuk sampel 8 % Bi, σ⊥ = 12,85 S cm⁻¹ dan σ∥ = 6,46 S cm⁻¹ pada 773 K. Koefisien Seebeck tetap negatif untuk sampel doped Bi, mengonfirmasi perilaku n‑tipe, tetapi menampilkan perubahan tanda driven suhu (transisi n‑ke‑p). Suhu transisi naik seiring kandungan Bi (misalnya, 492 K untuk 2 % Bi, 730 K untuk 4 % Bi, 762 K untuk 6 % Bi). Anisotropi dalam suhu transisi mencerminkan mobilitas pembawa yang berbeda di kedua arah.
Faktor daya modest, mencapai puncak sebesar 0,19 µW cm⁻¹ K⁻² untuk sampel 6 % Bi di sepanjang arah paralel. Nilai konduktivitas termal adalah 0,81 W m⁻¹ K⁻¹ (⊥) dan 0,60 W m⁻¹ K⁻¹ (∥) pada 773 K untuk spesimen 8 % Bi, sedikit lebih tinggi daripada ekuivalen kristal tunggal, kemungkinan karena difusivitas dan kalor spesifik yang lebih tinggi dalam keadaan polikristal.
Angka merit yang dihasilkan rendah (ZT = 0,025 pada 723 K untuk sampel 6 % Bi di sepanjang ∥), didominasi oleh koefisien Seebeck dan konduktivitas listrik yang kecil. Meskipun demikian, anisotropi yang diamati dan konduksi bipolar memberikan wawasan untuk optimasi lebih lanjut dari SnSe polikristal.
Kesimpulan
SnSe polikristal n‑tipe doped Bi telah berhasil diproduksi dengan tekan panas dalam berbagai konsentrasi Bi. Material menunjukkan orientasi butiran (h00) yang mencolok, yang mengarah pada transportasi listrik dan termal yang anisotropik. Pada 773 K, sampel 8 % Bi menunjukkan σ⊥ = 12,85 S cm⁻¹ versus σ∥ = 6,46 S cm⁻¹, dan κ⊥ = 0,81 W m⁻¹ K⁻¹ versus κ∥ = 0,60 W m⁻¹ K⁻¹. Transisi n‑ke‑p driven suhu diamati, dengan suhu transisi meningkat seiring kandungan Bi. Tingkat doping optimum adalah 6 %, menghasilkan ZT maksimal 0,025 pada 723 K. Meskipun ZT saat ini modest, pendekatan tekan panas yang ditawarkan memberikan jalur yang dapat diskalakan menuju materi termoelektrik skala modul.
