[论文解读] High thermoelectric figure of merit in p-type Half-Heuslers by intrinsic phase separation

Elisabeth Rausch, Siham Ouardi+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2015

Advanced Thermoelectric Materials and Devices被引用 3

一句话总结

本研究通过利用本征微米尺度相分离，在p型Ti₀.₂₅Hf₀.₇₅CoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅半赫斯勒材料中实现了1.15的创纪录ZT值，该相分离增强了声子散射并降低了晶格热导率。该方法避免了能耗密集的纳米结构化，为高性能热电材料提供了一种可扩展的替代方案。

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.

研究动机与目标

• 在现有纳米结构化方法之外，进一步提升p型半赫斯勒材料的热电性能。
• 研究本征相分离在降低晶格热导率中的作用。
• 通过在Sb位点进行Sn掺杂，优化载流子浓度以提升功率因子。
• 展示一种可扩展、低能耗的替代方案，以替代球磨和快速致密化工艺，适用于高ZT材料。
• 关联Ti₁₋ₓHfₓCoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅体系的微观结构特征与宏观热电性能。

提出的方法

• 通过电弧熔炼和多步退火工艺制备Ti₁₋ₓHfₓCoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅锭状样品，以确保均匀性。
• 采用高分辨率同步辐射X射线粉末衍射（XPD）精确测定晶体结构和相组成。
• 利用背散射电子成像和能量色散X射线能谱（EDX）映射元素分布，并识别相分离区域。
• 采用PB-Phi(Rho-z)矩阵校正方法，在25 kV加速电压下进行半定量EDX成分分析。
• 测量塞贝克系数、电导率、热扩散率及比热，利用κ = Cpαρ公式计算ZT值。
• 进行热循环测试，以验证热电性能的稳定性和可重复性。

实验结果

研究问题

• RQ1 p型半赫斯勒材料中的本征相分离是否能显著降低晶格热导率？
• RQ2 在Ti₁₋ₓHfₓCoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅中，Sb位点的Sn掺杂如何影响载流子浓度和功率因子？
• RQ3 与传统纳米结构化方法相比，相分离在多大程度上提升了ZT值？
• RQ4 该相分离微结构在与器件运行相关的热循环条件下是否稳定？
• RQ5 p型半赫斯勒材料的ZT性能能否达到或超过当前最先进的n型体系？

主要发现

• 在710 °C时，Ti₀.₂₅Hf₀.₇₅CoSb₀.₈₅Sn₀.₁₅实现了1.15的创纪录ZT值，较以往p型半赫斯勒材料提升了15%。
• 通过高分辨率XPD和EDX映射，确认了Hf-rich和Ti-rich半赫斯勒相之间的微米尺度本征相分离。
• 第二相表现出轻微的Co过量，被鉴定为具有L2₁结构的赫斯勒型相，可能形成相干的金属间化合物析出相。
• 相分离导致声子散射增强，降低了晶格热导率，同时未损害电输运性能。
• 1.15的ZT值与最先进的n型Ti₀.₅Zr₀.₂₅Hf₀.₂₅NiSn₀.₉₉₈Sb₀.₀₀₂（在560 °C时ZT=1.2）性能相当，可实现全热电模块中的互补应用。
• 热电性能在多次加热和冷却循环后保持稳定，证实了其可重复性和长期稳定性。