[논문 리뷰] On Ni-Sb-Sn based skutterudites

Werner Paschinger, P. Rogl외 14명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 15.

Rare-earth and actinide compounds참고 문헌 4인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 Ba 및 La 도핑을 한 Ni-Sb-Sn 기반 스쿠터우드라이트를 조사하며, 아크 용융 및 소성 공정을 통해 단일 상 재료를 합성한다. 주요 발견은 약 0.15 eV의 밴드 갭을 가진 금속-반도체 전이, 11.8×10⁻⁶ K⁻¹에서 13.8×10⁻⁶ K⁻¹ 사이의 열팽창 계수, 그리고 Vickers 경도가 2.6에서 4.7 GPa 사이로 변동하며, 고압 토션 나노구조화 이후 열전 성능 향상이 유의미하지 않음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• Ba 및 La 도핑을 한 단일 상 Ni-Sb-Sn 기반 스쿠터우드라이트를 개발하여 열전 성능을 향상시키는 것.
• 스쿠터우드라이트 구조 내 Ba 및 La의 최대 도핑 수준을 규명하는 것.
• 온도 의존 전기 저항도, 세벡 계수 및 열전도도를 특성화하는 것.
• Vickers 경도 및 열팽창 계수를 포함한 기계적 성질을 측정하는 것.
• 고압 토션(HPT)에 의한 나노구조화가 열전 성질에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 밀봉된 퀀츠 챔버에서 250 °C, 350 °C 및 450 °C에서 최대 30일 동안 소성 처리한 후 아크 용융을 통해 EpyNi4Sb12-xSnx (Ep = Ba, La) 화합물을 합성하였다.
• 100 K, 200 K 및 300 K에서 온도 의존 단결정 X선 회절을 수행하여 열팽창 계수 및 격자 상수를 추출하였다.
• 실온에서 300 K까지의 전기 저항도, 세벡 계수 및 열전도도를 측정하였다.
• X선 데이터로부터 디바이 온도 및 아이н스타인 온도를 결정하고, 4.4 K < T < 200 K 범위의 비열 측정 결과와 비교하였다.
• Vickers 경도(최대 24.5 mN 하중) 및 열팽창 계수를 포함한 기계적 성질을 평가하였다.
• 고압 토션(HPT)을 적용하여 나노구조화를 유도하고, 가공 전후의 열전 성질을 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ni4Sb12-xSnx 스쿠터우드라이트에서 Ba 및 La의 최대 도핑 수준는 얼마인가?
• RQ2 Sn 치환 및 도핑 농도에 따라 전자 운반체 거동은 어떻게 변화하는가. 특히 금속-반도체 전이에 관여하는가?
• RQ3 온도 및 조성에 따라 Ba 및 La 도핑된 Ni-Sb-Sn 스쿠터우드라이트의 열팽창 계수 및 디바이 온도는 어떻게 되는가?
• RQ4 고압 토션(HPT) 나노구조화는 이러한 재료의 열전 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 저하중 조건에서 이러한 스쿠터우드라이트 상의 Vickers 경도 범위는 무엇인가?

주요 결과

• 스쿠터우드라이트 구조 내 Ba의 최대 도핑 수준은 y = 0.93, La는 y = 0.65에 도달하였다.
• 금속-반도체 전이가 관찰되었으며, 세벡 계수 대 온도 곡선의 최대치에서 유도된 밴드 갭은 약 0.15 eV이었다.
• 열팽창 계수는 Ni4Sb8.2Sn3.8의 경우 11.8×10⁻⁶ K⁻¹에서 Ba0.92Ni4Sb6.7Sn5.3의 경우 13.8×10⁻⁶ K⁻¹ 사이로 변동하였다.
• 100–300 K 범위에서 단결정 X선 데이터로부터 유도된 디바이 온도는 4.4 K < T < 200 K 범위의 비열 측정 결과와 양호한 일치를 보였다.
• 실온에서의 Vickers 경도 값은 조성 및 도핑 농도에 따라 2.6 GPa에서 4.7 GPa 사이로 변동하였다.
• 고압 토션(HPT) 나노구조화는 열전 성질에 유의미한 변화를 유도하지 않았으며, 전력 인자 또는 ZT의 측정 가능한 향상이 없음을 시사한다.