Solution processed chalcogenide nanomaterials for thermoelectric application
- Autores: Yu Zhang
- Directores de la Tesis: Doris Yaneth Cadavid Rodríguez (dir. tes.), Andreu Cabot Codina (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2021
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Mercè Segarra Rubí (presid.), Michaela Meyns (secret.), Jose Siqueira Dias (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Nanociencias por la Universidad de Barcelona
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
La ingeniería de nanomateriales a partir del procesado en solución es de particular interés para optimizar el rendimiento de los materiales y dispositivos termoeléctricos. Estos materiales pueden contribuir a reducir el coste de los materiales y dispositivos y a su vez a mejorar las propiedades termoeléctricas de varias maneras: a) Una pequeña cantidad de nanopartículas insertadas dentro de una matriz cristalina podría proporcionar mayor concentración de portadores de carga sin dañar significativamente la movilidad de los portadores. b) Los nanodominios crean numerosas fronteras de grano que dispersarían en gran medida los fonones de longitud de onda larga y media para reducir la conductividad térmica. c) Los materiales nanoestructurados podrían dar lugar a coeficientes Seebeck más grandes al modificar la densidad de estados, así como proporcionar una dispersión de portadores en función de su energía.
Dado que las estrategias convencionales de producción de nanopartículas no ofrecen un control preciso sobre los parámetros estructurales y químicos. Esta tesis está se centra en el diseño y el ensamblaje racional de nanomateriales termoeléctricos de alto rendimiento a través de procesado en solución con los siguientes objetivos: a) Sintetizar nanomateriales adecuados a través del control preciso del tamaño, la forma, la ingeniería de composición y la química de la superficie. b) Desarrollar estrategias adecuadas para fabricar nanocompuestos seleccionando materiales matriz y dopajes con el rendimiento deseado, y consolidar su combinación en materiales nanoestructurados. c) Establecer primeros pasos para producir dispositivos termoeléctricos rentables mediante tintas y procesos de impresión.
La tesis se divide en 5 capítulos. El Capítulo 1 aborda la introducción fundamental del enfoque sintético para producir nanomateriales funcionales. Los capítulos 2 y 3 presentan un método rápido y simple basado en soluciones para producir nanomateriales SnSe2 y SnSe con textura cristalográfica. Dado que los calcogenuros de estaño son materiales especialmente interesantes para la conversión de energía termoeléctrica, se sintetizaron nanoplacas SnSe de tipo p controlables por forma mediante una estrategia basada en tinta molecular para lograr una figura de mérito termoeléctrica sin precedentes por dopaje con Te. Por otro lado, los nanomateriales SnSe2 de tipo n también se produjeron para complementar un dispositivo basado en Sn-Se. Ambos nanomateriales mostraron una textura cristalográfica significativa después del prensado en caliente, lo que dio como resultado unas propiedades de transporte de carga calor altamente anisotrópicas. Además, exploramos el posible mecanismo para controlar la forma de SnSe desde la nanoplaca cuadrada hasta la nanoestructura dendrítica, y explicamos un mecanismo impulsado por la dislocación de tornillo para obtener capas de SnSe2 estructuradas con flores. Se aplicaron diferentes enfoques para optimizar su rendimiento termoeléctrico: las nanoplacas SnSe2 se mezclan con nanopartículas metálicas para fabricar un nanocompuesto semiconductor-metal, donde las conductividades eléctricas de las mezclas se mejoran significativamente con respecto al SnSe2 y un aumento de tres veces en el Se obtuvo la mayor figura de mérito TE, alcanzando valores sin precedentes de hasta ZT = 0.65 para el material SnSe2. Para los nanomateriales SnSe, demostramos que la introducción de pequeñas cantidades de telurio en la tinta precursora permite reducir el bandgap, aumentar tanto la concentración como la movilidad del portador de carga, especialmente el plano transversal, con una disminución mínima del coeficiente Seebeck, que se traduce en mayor valores de ZT a 800 K. Los resultados del Capítulo 2 se publicaron en Angewandte Chemie en 2018, y los resultados del Capítulo 3 se publicaron en ACS Applied Materials & Interfaces en 2020.
Los capítulos 4 y 5 describen dos estrategias diferentes para producir nanocompuestos Bi2Te3-Cu2-xTe basados en la consolidación de nanoestructuras. Primero detallamos un proceso basado en dos pasos para producir las heteronanoestructuras Bi2Te3-Cu2-xTe, Página 4 de 4 basadas en el crecimiento de nanocristales Cu2-xTe en la superficie de los nanocables Bi2Te3. Las propiedades de transporte de los nanocompuestos se investigan en función de la cantidad de Cu introducido. La presencia de Cu disminuye la conductividad térmica del material a través de la promoción de la dispersión de fonones, modula la concentración del portador de carga a través del derrame de electrones y aumenta el coeficiente Seebeck a través del filtrado de portadores de carga en barreras energéticas. Estos efectos resultan en una mejora de más del 50% de la figura de mérito termoeléctrica de Bi2Te3. Como comparación, producimos nanocompuestos Bi2Te3-Cu2-xTe mezclando directamente la proporción adecuada de nanohilos de Bi2Te3 con nanocubos de Cu2-xTe y prensando en caliente la mezcla de nanopartículas resultante. Se detectó una diferencia significativa de las propiedades de transporte en comparación con el nanocompuesto fabricado por nanoestructuras Bi2Te3-Cu2-xTe. Al contrario de la hetero-nanoestructura, la presencia de nanodominios Cu2-xTe no conduce a una reducción significativa de la conductividad térmica del Bi2Te3 de referencia, que ya es muy baja aquí, pero resulta en un aumento de casi tres veces de su factor de potencia termoelectrica. Además, la presencia de Cu2-xTe da como resultado un fuerte aumento del coeficiente de Seebeck. Este aumento está relacionado con el filtrado de los portadores de carga en función de su energía en las barreras de energía dentro de los dominios Bi2Te3 creados por la acumulación de electrones en las regiones cercanas a las uniones Cu2-xTe / Bi2Te3. En general, se obtiene una mejora significativa de la figura de mérito, hasta un 250%, con la adecuada incorporación de nanopartículas de Cu2-xTe con nanohilos Bi2Te3. Los resultados del Capítulo 4 han sido aceptados en Journal of Materials Chemistry C en 2020. Los resultados del Capítulo 5 y el Capítulo 6 se han enviado a diferentes revistas en 2020.
Finalmente, en el último capítulo se presentan las principales conclusiones de esta tesis y algunas perspectivas para trabajos futuros.
