[论文解读] Strong impact of grain boundaries on the thermoelectric properties of non-equilibrium synthesized p-type Ce1.05Fe4Sb12.04 filled skutterudites with nanostructure

Qing Jie, Juan Zhou+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2010

Advanced Thermoelectric Materials and Devices被引用 3

一句话总结

本研究证明，通过快速压力诱导结晶实现非平衡合成的p型Ce1.05Fe4Sb12.04方钴矿材料，可获得具有强耦合晶界结构的纳米结构材料。这些晶界可抑制第二相生成和晶粒长大，使载流子迁移率几乎提高一倍，并降低晶格热导率，从而显著提升热电性能，优于传统固态工艺制备的样品。

ABSTRACT

p-type Ce1.05Fe4Sb12.04 filled skutterudites with much improved thermoelectric properties have been synthesized by rapidly converting nearly amorphous ribbons into crystalline pellets under pressure. It is found that this process greatly suppresses grain growth and second phase formation/segregation, and hence results in the samples consisting of nano-sized grains with strongly-coupled grain boundaries, as observed by transmission electron microscopy. The room temperature carrier mobility in these samples is significantly higher (nearly double) than those in the samples of the same starting composition made by the conventional solid-state reaction. Nanostructure reduces the lattice thermal conductivity, while cleaner grain boundaries permit higher electron conduction.

研究动机与目标

• 开发一种用于p型Ce1.05Fe4Sb12.04掺杂方钴矿的非平衡合成路线，以实现对纳米结构的精确控制。
• 在加工过程中最小化晶粒长大和二次相生成，以提升热电性能。
• 研究晶界在调控电子输运和晶格热导率中的作用。
• 通过纳米结构化和洁净晶界实现更高的载流子迁移率和更低的热导率。

提出的方法

• 将接近非晶态的Ce1.05Fe4Sb12.04薄带通过快速压力诱导结晶转化为致密块体。
• 透射电子显微镜（TEM）用于表征晶粒尺寸和晶界结构。
• 将热电性能与相同组成的传统固态反应样品进行对比。
• 测量室温载流子迁移率和晶格热导率，以分离晶界效应。
• 采用非平衡加工工艺以抑制相分离和晶粒粗化。

实验结果

研究问题

• RQ1 非平衡合成如何影响p型Ce1.05Fe4Sb12.04方钴矿中的晶粒长大和二次相生成？
• RQ2 晶界在纳米结构方钴矿中对载流子迁移率的影响程度如何？
• RQ3 能否通过晶界工程在不损害电子输运性能的前提下降低晶格热导率？
• RQ4 纳米结构与洁净晶界的综合作用对热电性能有何影响？

主要发现

• 非平衡合成样品在室温下的载流子迁移率几乎为相同组成传统加工样品的两倍。
• 由于声子在晶界处的散射，纳米结构样品表现出显著降低的晶格热导率。
• 非平衡样品中的晶界更加洁净且强耦合，从而最小化电子散射，增强电子导电性。
• 由于快速结晶过程，第二相生成和晶粒长大得到有效抑制。
• 纳米结构与洁净晶界的综合作用显著提升了热电性能。