[논문 리뷰] High thermoelectric figure of merit in p-type Half-Heuslers by intrinsic phase separation

Elisabeth Rausch, Siham Ouardi외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 11.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 p형 Ti₀.₂₅Hf₀.₇₅CoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅ 하프헤스러의 내재된 마이크로미터 크기의 상분리를 활용하여 기존의 고에너지 소재 가공을 피하면서도 열전 성능을 향상시켜 기록적인 ZT 1.15를 달성하였다. 이는 비음향파 산란을 증가시키고 격자 열전도도를 감소시키는 데 기여한다. 이 방법은 나노재료 구조를 필요로 하지 않아 고성능 열전소재의 대량 생산에 유리한 대체 기술을 제공한다.

ABSTRACT

Improvements in the thermoelectric properties of Half-Heusler materials have been achieved by means of a micrometer-scale phase separation that increases the phonon scattering and reduces the lattice thermal conductivity. A detailed study of the p-type Half-Heusler compounds Ti(1-x)Hf(x)CoSb0.85Sn0.15 using high-resolution synchrotron powder X-ray diffraction and element mapping electron microscopy evidences the outstanding thermoelectric properties of this system. A combination of intrinsic phase separation and adjustment of the carrier concentration via Sn substitution is used to realize a record thermoelectric figure of merit for p-type Half-Heusler compounds of ZT around 1.15 at 710C in Ti0.25Hf0.75CoSb0.85Sn0.15. The phase separation approach can form a significant alternative to nanostructuring processing time, energy consumption and increasing the thermoelectric efficiency.

연구 동기 및 목표

• 기존의 나노재료 가공 방법을 초월하여 p형 하프헤스러 재료의 열전 성능을 향상시키는 것.
• 내재된 상분리가 격자 열전도도 감소에 미치는 영향을 조사하는 것.
• Sb 자리에 Sn을 치환하여 운반자 농도를 최적화하여 전력 인자의 향상을 도모하는 것.
• 고성능 ZT 재료를 위한 볼 밀링 및 빠른 압축 공정에 비해 에너지 소모가 적고 확장 가능한 대체 방법을 제시하는 것.
• Ti₁₋ₓHfₓCoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅ 체계에서 미세구조적 특성과 거시적 열전 성질 간의 상관관계를 규명하는 것.

제안 방법

• 균일성을 확보하기 위해 아크 용융 및 다단계 열처리를 통해 Ti₁₋ₓHfₓCoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅ 블랭킷을 합성하였다.
• 정확한 결정구조 및 상 조성을 결정하기 위해 고해상도 동기광선 X선 회절(XPD)을 수행하였다.
• 요소 분포를 맵핑하고 상분리 영역을 식별하기 위해 배경산란 전자 영상 및 에너지 분산형 X선 분석(EDX)을 사용하였다.
• 25 kV 가속 전압에서 반정량적 EDX 조성 분 析를 위해 PB-Phi(Rho-z) 매트릭스 보정을 적용하였다.
• Seebeck 계수, 전기 전도도, 열확산도 및 비열을 측정하여 κ = Cpαρ 공식을 사용해 ZT를 계산하였다.
• 기기 작동 조건과 관련된 열 사이클링 테스트를 실시하여 열전 성질의 안정성과 재현 가능성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 p형 하프헤스러 재료에서 내재된 상분리가 격자 열전도도를 크게 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 Sb 자리에 Sn을 치환함으로써 Ti₁₋ₓHfₓCoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅에서 운반자 농도와 전력 인자는 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 기존의 나노재료 가공 기법에 비해 상분리는 ZT 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 기기 작동 조건에 해당하는 열 사이클링 조건에서 상분리된 미세구조가 안정한가?
• RQ5 p형 하프헤스러의 ZT 성능이 최신 기술 수준의 n형 시스템과 동등하거나 이를 초월할 수 있는가?

주요 결과

• Ti₀.₂₅Hf₀.₇₅CoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅에서 710 °C에서 기록적인 ZT 1.15를 달성하였으며, 이는 이전의 p형 하프헤스러 재료 대비 15% 향상된 성능이다.
• 고해상도 XPD 및 EDX 맵핑을 통해 Hf가 풍부한 상과 Ti가 풍부한 하프헤스러 상으로 구성된 내재된 마이크로미터 크기의 상분리를 확인하였다.
• 제2상은 약간의 Co 과잉을 보였으며, L2₁ 구조를 가진 헤우슬러 유형의 상으로 확인되었으며, 공명성 인터메탈릭 침전상으로 형성된 것으로 추정된다.
• 상분리는 비음향파 산란을 증가시켜 격자 열전도도를 감소시키는 데 기여하였고, 전기적 전도성은 손상되지 않았다.
• ZT 1.15는 최신 기술 수준의 n형 Ti₀.₅Zr₀.₂₅Hf₀.₂₅NiSn₀.₉₉₈Sb₀.₀₀₂(560 °C에서 ZT=1.2)의 성능과 동등하여 전체 열전 모듈에서 상호 보완적인 활용이 가능하다.
• 다수의 가열 및 냉각 사이클 동안 열전 성질이 안정하게 유지되어 재현성과 장기적 안정성이 확인되었다.