Influence of Nanoinclusions on Thermoelectric Properties of n-Type Bi2Te3 Nanocomposites

Abstract

n-Type Bi 2 Te 3 nanocomposites with enhanced figure of merit, ZT, were fabricated by a simple, high-throughput method of mixing nanostructured Bi 2 Te 3 particles obtained through melt spinning with micron-sized particles. Moderately high power factors were retained, while the thermal conductivity of the nanocomposites was found to decrease with increasing weight percent of nanoinclusions. The peak ZT values for all the nanocomposites were above 1.1, and the maximum shifted to higher temperature with increasing amount of nanoinclusions. A maximum ZT of 1.18 at 42°C was obtained for the 10 wt.% nanocomposite, which is a 43% increase over the bulk sample at the same temperature. This is the highest ZT reported for n-type Bi 2 Te 3 binary material, and higher ZT values are expected if state-of-the-art Bi 2 Te 3Àx Se x materials are used.

Thermoelectric power factor of nanocomposite materials from two-dimensional quantum transport simulations

“…This is because in common thermoelectric materials, such as PbTe, a large * s.foster@warwick.ac.uk portion of the phonons have mean-free paths for scattering on the order of nanometers [29]. This technique is therefore widely used to enhance thermoelectric performance in a broad range of materials, including BiTe [30,31], PbTe [23,32,33], SiGe [16,34,35], ZnSb [25,36], FeSi [37], MnSi [38], SnTe [39], PbS [40], CuSe [41], YbCoSb [42], and ZrNiSn [43]. Indeed, by embedding nanoinclusions within PbTe in a hierarchical manner, record high ZT = 2.2 values were achieved due to drastic reductions in κ, but also due to retaining high power factors [23].…”

“…While the impact of nanoinclusions on the thermal conductivity is well documented [18,45], previous works are not as clear on their impact on the power factor, with results varying significantly, from only small influence [30,31,34,46], to large potential improvements [25,36,42,47]. Thus, it is imperative that a high level of understanding on the influence of nanoinclusions on the power factor, both qualitative and quantitative, is also established, if ZT is to be maximized.…”

Термоэлектрические свойства лент Bi-=SUB=-0.5-=/SUB=-Sb-=SUB=-1.5-=/SUB=-Te-=SUB=-3-=/SUB=-, полученных методом спиннингования расплава

“…В термоэлектрическом материаловеде-нии этот метод применяют для снижения решеточной теплопроводности и повышения термоэлектрической эф-фективности. Снижение решеточной теплопроводности происходит за счет дополнительного рассеяния носите-лей заряда на неоднородностях структуры [2,3]. Работа в этом направлении для материалов на основе сплавов Bi 2 Te 3 −Sb 2 Te 3 ведется довольно интенсивно [1,2,4,5].…”

“…Снижение решеточной теплопроводности происходит за счет дополнительного рассеяния носите-лей заряда на неоднородностях структуры [2,3]. Работа в этом направлении для материалов на основе сплавов Bi 2 Te 3 −Sb 2 Te 3 ведется довольно интенсивно [1,2,4,5]. Образцы Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , приготовленные методом спин-нингования расплава с дальнейшим искровым спекани-ем, обладают более низким фактором мощности по срав-нению с поликристаллическим образцом, полученным методом зонной плавки [4].…”

Термоэлектрические свойства твердого раствора Bi-=SUB=-2-=/SUB=-Te-=SUB=-2.4-=/SUB=-Se-=SUB=-0.6-=/SUB=- различного гранулометрического состава

“…В этом случае наибольшая термоэлек-трическая эффективность составляет (ZT ) max ∼ 1 как для мелкокристаллических образцов, так и для структур с направленными зернами [2]. В работе [3] при добавле-нии 10% по массе частиц Bi 2 Te 3 , полученных спиннинго-ванием расплава, в образцы n-типа проводимости наблю-далось некоторое увеличение (ZT ) max , до 1.18 при 42…”