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电气、结构和光学特性的Cu3SbSe4高热电性能。

*通信:

Batol Dabaa阿勒颇大学物理系,阿勒颇,叙利亚、电子邮件:(电子邮件保护)

文摘

Cu3SbSe4是一种很有前途的热电材料由于高的热功率。尽管它有一个简单的晶体结构来源于闪锌矿结构。大部分的热电性质半导体化合物,由快速热压机(右投手)技术在270 ešC而Cu3SbSe4薄膜沉积在玻璃衬底(微观部分)化学浴沉积(C.B.D) (150 ešC)。使用x射线衍射谱进行了结构表征,为了确定微晶的平均尺寸范围(20 - 30海里)中发现的。获得Cu3SbSe4 p型半导体有低电阻率范围内(0.124Ωm)。AFM观察了膜表面的显微图距离(16 - 65)纳米范围。承运人在Cu3SbSe4散装密度和大厅流动范围0.591×1018 Cm-3和117.3厘米2 / Vs。Cu3SbSe4电影确定的带隙范围内的紫外可见分光光度计的发现(1.25 - -1.5)电动车而能源带隙Cu3SbSe4批量的确定从傅立叶变换红外分光光度计(0.362 ev),它对应于波长(3417海里)。功率因数(PF) Cu3SbSe4样本非常由于整个浓度的优化改进。晶格热导率kL非常低这可以归因于吗

关键字

电气性能;热导率;x射线衍射;右投手

介绍

合成化学计量三元金属硫属化合物的一个简单方法是一个有吸引力的和具有挑战性的任务由于其独特的物理和化学性质(1]。过去四年以来,科学家们一直在试图找出替代可再生能源传统的来源能源来源。近年来一直在努力利用浪费环境能源通过引入替代能源如太阳能转换路线细胞(2),燃料细胞(3,水分解制氢4],王中林教授[5),以及热电。在过去的几年中铜含硫属化合物已成为有前途的材料由于其潜在的应用在光伏、光催化和热电设备。现今I-V-VI组硫属化合物半导体材料得到了越来越多的关注,因为他们表现出良好的电子传输性能低热导率,near-optimum带隙能源和一个大的吸收系数(> 10⁴厘米¹)[6]。当中I-V-VI元素Cu-Sb-Se形成高度进行固体的解决方案与铜等不同成分₃SbSe₃和铜₃SbSe₄已经被报道。关于它的可用性和低成本建议替代香烟(6]。

Cu-Sb-Se研究了作为一个有前途的材料为光电和热电的目的。热电材料是用于将热能能源对电能源和他们的效率取决于无因次品质因数(ZT型)。TE材料的效率通常指的是绩效ZT型的无量纲图,定义为:

(1)

ρ,年代,k_Ck_l和T是电阻率,塞贝克系数,导热系数从载体的贡献,分别晶格热导率和绝对温度(7]。

这种热电材料应该有高导电率、高功率因数(S²σ),低热导率。

在这些工作大部分铜样品₃SbSe₄准备使用快速热压机(右投手)系统和铜₃SbSe₄电影是准备使用化学浴沉积(CBD)系统。铜的结构特性₃SbSe₄研究了x射线衍射(X.R.D), AFM,吸收光谱和红外光谱,直流,哈尔效果,塞贝克效应,功率因数,导热系数、ZT型和电阻率测量。

实验

化学物质

EDA (99.7%)、CuCl (97%)、SbCl₃(99%)和硒粉(99.0%)。

基板清洗

衬底表面的清洁是重要的铜膜结构的特点₃SbSe₄薄膜被CBD方法沉积在玻璃基板。玻璃基板清洗使用氧化剂混合物(K₂Cr₂O₇:H₂所以₄- 1:10,HNO₃之前,1% EDTA)然后用蒸馏水冲洗沉积(8]。

铜₃SbSe₄准备

铜的制备₃SbSe₄2更易(SbCl₃),8更易Se和40毫升(EDA)放入100毫升玻璃烧杯。混合均匀后,60更易CuCl当时投入相同的烧杯。解决方案是由一个电磁搅拌器搅拌的速度1700 r s⁻¹保持温度在合成150°C。介绍了两个玻璃基板垂直化学浴的帮助下一个适当的衬底架设计。薄膜沉积后,底物被在373 K和干30分钟,保持在室温下进一步测量大约两小时后,大量的粉末沉淀。收集沉淀,过滤,用无水乙醇和蒸馏水洗净,直到pH值接近7了,然后真空60°C下干了近6小时。形成粉磨了陶瓷砂浆,压下10吨/厘米²的磁盘(- 3.11)毫米直径和3.5毫米厚度。然后铜₃SbSe₄材料按(280°C)(30分钟)和快速热压机系统(右投手)同意所示材料整合在典型的整合参数。快速热压机系统的热量是由射频感应迅速巩固热电材料。使用射频感应加热使粉末材料快速加热和整合在一个宽温度范围(100 - 3700)°C。如此快速的整合纳米材料通常是由火花等离子烧结(SPS)可以昂贵得多。我们设计和制造快速热压技术基于感应加热快,如果不是更快,比SPS快速整合的材料没有直流电流的影响。这样一个系统将保持小和纳米尺度微观结构的理想选择。巩固致密铜的技术演示₃SbSe₄基于热电材料在553 K 30分钟。这个系统的制造和维护成本将明显低于商业电阻加热或火花等离子烧结压。右投手系统是一个经济和健壮的系统研究、开发和生产的材料用于各种各样的目的。结构特点和散装材料的形态是由x射线衍射(XRD)方法在室温下使用飞利浦X-pert Pro衍射仪CuKα辐射̊(λ= 1.54)。

结果与讨论

结构研究

铜的样品的x射线衍射模式₃SbSe₄在室温下所示图1。在粉末x射线衍射模式图1 (a)之前,我们不遵守任何喙(右投手)。而之后(右投手)图b (1)。主要衍射峰对应标准的JCPDS卡片(没有。01-085-0003)的铜₃SbSe₄正方结构。晶格常数计算被发现(= 5.655̊)(112)飞机。在图(1 c)我们观察喙强度随着右投手温度升高。

(2)

(3)(布拉格定律)9]

铜的微晶尺寸₃SbSe₄估计用谢乐公式(9,10]:

(4)

,K = 0.94和λ是x射线的波长使用铜Kα辐射(λ= 1.54̊)和β_2θ是半宽度(应用)的衍射峰对应于一个特定的晶面。微晶尺寸的值D (表1在其20 nm范围内变化。公式计算出应变(ε)11:

表1。铜的结构参数₃SbSe₄在室温下。

(5)

位错密度(δ),定义为位错线的长度单位体积的水晶,从公式(评估11]:

(6)

结果表明,晶格参数(a, d)减少单调增加(右投手)温度,如图所示表1。

分析原子力的铜₃SbSe₄(AFM)

图2所示。AFM图像表面沉积膜的铜₃SbSe₄。我们注意到颗粒的结构形式与不同尺寸和测量,在水平距离(16 - 65)纳米范围。

它可以观察到薄膜的表面不是很紧凑。小微晶或谷物组成。圆形状的集群共同构成了这部电影。我们注意到这些集群之间可以看到很多的空地。这些小的微晶的大小不能确定这些照片。平均晶粒尺寸约52海里。

光学的研究

FT - IR光谱:傅立叶变换红外光谱跃迁强度进行波长的范围(2500 - 25000海里)。图3显示了红外传输波长的函数,它表示能源乐队唠叨是(0.362 ev)对应波长(3417海里)。红外光谱显示存在的一些毒性前准备好样品后(右投手)但这毒性减少敏锐地(右投手)。

紫外可见光谱:铜的光吸收₃SbSe₄研究了薄膜在295到1100纳米波长范围。所示图4。铜₃SbSe₄电影展示了更高的吸收波长较短的一边。

能带唠叨可以使用这个公式计算12。

(7)

是一个常数,如电影的带隙。指数n取决于过渡类型。n的值直接,间接,直接禁止传输n = 1/2, 2,分别和3/2。外推的直线的截距(αhυ)ⁿ= o轴给专家组的价值。得到了直接带隙的线性部分(αhυ)²与hυ图所示图5(一个),其值是(1.25 eV)。而直接得到了禁戒跃迁(αhυ)^3/2与hυ图所示图5 (b)。它的值是(1.5 eV)。间接带隙(αhυ)得到的^1/2与hυ情节和它不存在。

电测量

电阻率测量:铜的热电性质₃SbSe₄所示图6。明确表示,铜的电阻率ρ₃SbSe₄在整个温度范围内随温度的增大而减小。

确定激活能源铜的₃SbSe₄:为了检查铜的电阻率的温度行为₃SbSe₄电阻率ρ的对数作为温度的倒数函数给出的图6。可以看出,线性好的关系Lnρ和1 / T之间存在对铜在高温范围₃SbSe₄。lnρ之间线性关系的存在和1 / T意味着电阻率可以通过使用一个描述热激活表达相应的温度制度,写成:

(8)

在那里,C和k一致_B波尔兹曼常数(8.62×10⁻⁵电动汽车/ K),如带隙。通过最佳拟合实验数据在上面的公式中,表2显示激活的变化能源(右投手),我们注意到样品的导电率随(右投手)。

表2。显示变化的激活能源(右投手)。

霍尔效应测量:霍尔电压的变化(VH)与当前铜₃SbSe₄在室温下所示图7。晶格结构可能unstochiometric,插页式广告控制导电类型(12,13]。所以准备的铜₃SbSe₄是p型霍尔系数造成的(因为一个积极的信号)。

(9)

由于硫化物离子的空缺14,15)这意味着传导是由孔(16]。

表3显示的值从霍尔效应产生的参数研究。发现运营商的浓度和大厅流动性增加(右投手)[14),运营商的浓度P,电阻率ρ和霍尔迁移率μ是计算。

表。3所示。从霍尔效应产生的参数研究的价值。

根据的关系(14]:

(10)

(11)

(12)

,a, b和d是铜的尺寸吗₃SbSe₄样品和R_H霍尔系数。

样品p型半导体,作为积极的塞贝克系数,验证了所示图8。铜的塞贝克系数S₃SbSe₄温度增加而增加。这是通常的特征高度简并半导体。

铜的温度依赖性的功率因数₃SbSe₄所示图9。PF的铜₃SbSe₄随温度线性增加。晶格热导率的温度依赖性(吉隆坡)铜₃SbSe₄化合物图10k在整个温度范围内随温度增大而减小。

晶格热导率k_l被减去估计载波导热系数k_c从k与洛伦兹常数L0 Wiedemann-Franz关系在哪里,申请估计k_c

(k_cL =₀T /ρ)(13)

在这里,我₀设置为(2×换V2 K2) (16- - - - - -18]。

图11显示了铜ZT型对温度的依赖关系₃SbSe₄。ZT型的值达到0.35立方₃SbSe₄在490 K。铜的海拔ZT型₃SbSe₄结果主要来自其增强PF由于空穴浓度的优化和降低k_l。

结论

总之,p型铜₃SbSe₄晶体通过快速热压机系统制造(R.H.P)技术。电气、结构和光学特性的铜₃SbSe₄属性了。AFM micro-graphs准备表面膜中观察到的距离(16 - 65)纳米范围。结构测量确定微晶的平均尺寸在范围(20 - 30海里)。结果表明,热导率下降,这可以归因于强劲的声子散射的原子质量的波动。大的电阻率下降是由于整个浓度的增加。一个大型热电品质因数ZT型= 0.35是铜的获得₃SbSe₄在490 k。

引用

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