[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究调查了掺杂Ba和La填料的Ni-Sb-Sn基方钴矿，通过电弧熔炼和退火工艺合成单相材料。主要发现包括：带隙约为0.15 eV的金属-半导体转变，热膨胀系数在11.8×10⁻⁶ K⁻¹至13.8×10⁻⁶ K⁻¹之间，维氏硬度在2.6至4.7 GPa之间，经高压扭转纳米结构化后热电性能未见显著提升。

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.

研究动机与目标

• 开发具有Ba和La填料的单相Ni-Sb-Sn基方钴矿，以提升热电性能。
• 确定Ba和La在方钴矿结构中的最大填入水平。
• 表征温度依赖的电阻率、塞贝克系数和热导率。
• 测量包括维氏硬度和热膨胀系数在内的力学性能。
• 评估高压扭转（HPT）诱导纳米结构化对热电性能的影响。

提出的方法

• 通过电弧熔炼并在密封石英管中于250 °C、350 °C和450 °C下退火最多30天，合成EpyNi4Sb12-xSnx（Ep = Ba, La）化合物。
• 在100 K、200 K和300 K下进行温度依赖的单晶X射线衍射，以提取热膨胀系数和晶格参数。
• 测量从室温到300 K的电阻率、塞贝克系数和热导率。
• 从X射线数据中确定德拜温度和爱因斯坦温度，并与特定热容测量结果（4.4 K < T < 200 K）进行比较。
• 评估包括维氏硬度（最大载荷24.5 mN）和热膨胀系数在内的力学性能。
• 采用高压扭转（HPT）诱导纳米结构化，并比较处理前后热电性能的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Ni4Sb12-xSnx方钴矿中，Ba和La的最大可实现填入水平是多少？
• RQ2 随着Sn取代和掺杂剂含量的变化，电子输运行为如何演变，特别是金属-半导体转变行为？
• RQ3 Ba和La掺杂的Ni-Sb-Sn方钴矿的热膨胀系数和德拜温度如何随温度和成分变化？
• RQ4 高压扭转（HPT）纳米结构化如何影响这些材料的热电性能？
• RQ5 在低载荷条件下，这些方钴矿相的维氏硬度范围是多少？

主要发现

• 在方钴矿结构中，Ba的最大填入水平达到y = 0.93，La达到y = 0.65。
• 观察到金属-半导体转变，带隙约0.15 eV，由塞贝克系数随温度变化曲线的极大值提取得出。
• 热膨胀系数范围为11.8×10⁻⁶ K⁻¹（Ni4Sb8.2Sn3.8）至13.8×10⁻⁶ K⁻¹（Ba0.92Ni4Sb6.7Sn5.3）。
• 从100–300 K的单晶X射线数据得出的德拜温度与特定热容测量结果（4.4 K < T < 200 K）具有良好一致性。
• 室温下维氏硬度值在2.6 GPa至4.7 GPa之间，具体取决于成分和掺杂剂含量。
• 高压扭转（HPT）纳米结构化未导致热电性能的显著变化，表明功率因子或ZT值未见可测量提升。