[論文レビュー] On Ni-Sb-Sn based skutterudites

Werner Paschinger, P. Rogl+14 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2017

Rare-earth and actinide compounds参考文献 4被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、BaおよびLaドーピングを施したNi-Sb-Sn系スカウターディットを調査し、アーク融解およびアニール処理を用いて単相材料を合成した。主な発見として、約0.15 eVのバンドギャップを有する金属-半導体遷移、11.8×10⁻⁶ K⁻¹から13.8×10⁻⁶ K⁻¹の範囲の熱膨張係数、および2.6から4.7 GPaの範囲のバーチャル硬度が得られたが、高圧ねじり加工によるナノ構造化後、熱電特性に顕著な向上は認められなかった。

ABSTRACT

Novel filled skutterudites EpyNi4Sb12-xSnx (Ep = Ba and La) have been prepared by arc melting followed by annealing at 250C, 350C and 450C up to 30 days in sealed quartz vials. A maximum filling level of y = 0.93 and y = 0.65 was achieved for the Ba and La filled skutterudite, respectively. Single-phase samples with the composition Ni4Sb8.2Sn3.8, Ba0.42Ni4Sb8.2Sn3.8 and Ba0.92Ni4Sb6.7Sn5.3 were employed for measurements of the physical properties i.e. temperature dependent electrical resistivity, Seebeck coefficient and thermal conductivity. Resistivity data showed a crossover from metallic to semiconducting behaviour. The corresponding gap width was extracted from maxima in the Seebeck coefficient data as a function of temperature. Temperature dependent single crystal X-ray structure analyses (at 100 K, 200 K and 300 K) revealed the thermal expansion coefficients, Einstein and Debye temperatures for two selected samples Ba0.73Ni4Sb8.1Sn3.9 and Ba0.95Ni4Sb6.1Sn5.9. These data compare well with Debye temperatures from measurements of specific heat (4.4 K < T < 200 K). Several mechanical properties were measured and evaluated. Thermal expansion coefficients are 11.8.10-6 K-1 for Ni4Sb8.2Sn3.8 to 13.8.10-6 K-1 for Ba0.92Ni4Sb6.7Sn5.3. Room temperature Vicker's hardness values (up to a load of 24.5 mN) vary within the range of 2.6 GPa to 4.7 GPa. Severe plastic deformation (SPD) via high-pressure torsion (HPT) was used to introduce nanostructuring. Physical properties before and after HPT were compared, showing no significant effect on the material's thermoelectric behaviour.

研究の動機と目的

• BaおよびLaをドーピングした単相のNi-Sb-Sn系スカウターディットを開発し、熱電性能を向上させること。
• スカウターディット構造内でのBaおよびLaの最大充填レベルを特定すること。
• 温度依存の電気抵抗率、セーベック係数、および熱伝導率を特徴付けること。
• バーチャル硬度および熱膨張係数を含む機械的性質を測定すること。
• 高圧ねじり加工（HPT）によるナノ構造化が熱電特性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 密封した石英ビーカー内で250 °C、350 °C、450 °Cで最大30日間アニール処理を施したアーク融解により、EpyNi4Sb12-xSnx（Ep = Ba, La）化合物を合成した。
• 100 K、200 K、300 Kでの温度依存の単結晶X線回折を実施し、熱膨張係数および格子定数を抽出した。
• 室温から300 Kまでの範囲で電気抵抗率、セーベック係数、熱伝導率を測定した。
• X線データからデバイ温度およびアインシュタイン温度を決定し、4.4 K < T < 200 Kの範囲での比熱測定値と比較した。
• バーチャル硬度（最大24.5 mN負荷）および熱膨張係数を含む機械的性質を評価した。
• 高圧ねじり加工（HPT）を適用してナノ構造化を誘発し、処理前後における熱電特性を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ni4Sb12-xSnxスカウターディットにおけるBaおよびLaの最大達成可能な充填レベルは何か？
• RQ2 Sn置換およびドーピング量の変化に伴い、電子輸送挙動はどのように変化するか。特に金属-半導体遷移の挙動は？
• RQ3 温度および組成の関数として、BaおよびLaドーピングされたNi-Sb-Snスカウターディットの熱膨張係数およびデバイ温度は何か？
• RQ4 高圧ねじり加工（HPT）によるナノ構造化は、これらの材料の熱電特性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 低負荷条件下におけるこれらのスカウターディット相のバーチャル硬度の範囲は何か？

主な発見

• スカウターディット構造内でのBaの最大充填レベルはy = 0.93、Laの最大充填レベルはy = 0.65に達した。
• 金属-半導体遷移が観察され、セーベック係数対温度曲線の極大値から約0.15 eVのバンドギャップが抽出された。
• 熱膨張係数は、Ni4Sb8.2Sn3.8で11.8×10⁻⁶ K⁻¹から、Ba0.92Ni4Sb6.7Sn5.3で13.8×10⁻⁶ K⁻¹の範囲であった。
• 100–300 Kでの単結晶X線データから導かれたデバイ温度は、4.4 K < T < 200 Kの比熱測定値と良好に一致した。
• 室温におけるバーチャル硬度は、組成およびドーピング量に応じて2.6 GPaから4.7 GPaの範囲で変動した。
• 高圧ねじり加工（HPT）によるナノ構造化は、出力因子やZTに顕著な向上をもたらさず、顕著な改善は認められなかった。