Síntese de não-uniforme Pr-dopado SrTiO₃ Cerâmica e suas propriedades termoelétricas

Thermoelectrics óxido foram mostrados para ser candidatos promissores para aplicações termelétricas de alta temperatura, de estabilidade e de custo perspectivas para propriedades de transporte eletrônico. Entre as termelétricas de óxido do tipo n, altamente dopado titanato de estrôncio (STO) tem atraído muita atenção devido às suas intrigantes propriedades eletrônicas. No entanto, uma grande condutividade térmica total (κ ~ 12 W K ^-1 m ^-1 a 300 K para cristais individuais) ¹ e uma baixa mobilidade do transportador (μ ~ 6 centímetros ² V ^{1 s-1} a 300 K para cristais individuais) ¹ afectar prejudicialmente o desempenho termoeléctrico que é avaliado por uma figura de mérito adimensional, ZT = α ² σT / κ, onde α é o coeficiente de Seebeck, σ a condutividade eléctrica, T a temperatura absoluta em graus Kelvin, e κ a condutividade térmica total. Nós aqui definir o numerador como o fator de potência, PF = α ²63; T. A fim de que este material termoeléctrico óxido de competir com outros thermoelectrics de alta temperatura (tais como ligas de SiGe), são requeridos um aumento mais pronunciado no factor de potência e / ou diminuição da condutividade térmica da estrutura.

A maioria dos estudos experimentais, a fim de melhorar as propriedades termoeléctricas de STO têm-se centrado principalmente na redução da condutividade térmica através estirpe de campo e espalhamento flutuação massa de fonões. Estas tentativas incluem: (i) simples ou duplas de doping do Sr ²⁺ e / ou Ti ⁴⁺ locais, como os principais esforços no que diz respeito a esta direção, ^2,3 (ii) Síntese de superrede naturais estruturas Ruddlesden-Popper a fim de reduzir ainda mais a conductividade térmica através de camadas isolantes SRO, ⁴ e (iii) de engenharia composto por adição de uma segunda fase de nanoparticulado. ⁵ No entanto, até recentemente, nenhuma estratégia de reforço tem sido relatada a substantially aumentar o fator de energia termelétrica nestes óxidos. Os valores do fator de potência máxima registada (PF) em única massa e STO poli-cristalino foram confinados a um limite máximo de PF <1,0 W m ^-1 K ^-1.

Uma variedade de abordagens de síntese e técnicas de processamento têm sido utilizados para implementar as ideias tentativas acima. As rotas de síntese pó incluem reação de estado sólido convencional, ⁶ sol-gel, ⁷ hidrotermal, ⁸ e síntese de combustão, enquanto que ⁹ sinterização convencional, ⁶ prensagem a quente ¹⁰ e recentemente sinterização plasma faísca ¹² estão entre as técnicas comuns usadas para densificar as pós em massa cerâmica. No entanto, para um dopante semelhante (por exemplo, La) e a concentração de dopante, os massa cerâmica resultantes exibem uma gama de propriedades de transporte electrónicos e térmicas. Isto é, em grande devido à química defeito fortemente dependente do processo de SrTiO <sub> 3, que resulta em propriedades dependentes de síntese. Há apenas um punhado de relatórios otimizando os parâmetros de síntese e processamento de beneficiar transporte termelétrica. Vale ressaltar que, devido ao muito pequeno phonon livre percurso médio em SrTiO ₃ (l _ph ~ 2 nm a 300 K), ¹¹ nanoestruturação não é uma opção viável para a melhoria do desempenho TE de cerâmica grandes quantidades STO principalmente através da redução da condutividade térmica da estrutura.

Recentemente, nós relataram melhora mais de 30% na termelétrica figura de mérito em não uniforme Pr-dopados SrTiO ₃ cerâmica provenientes de um fator de potência termelétrica reforçada simultaneamente e condutividade térmica reduzida ^12,13. Neste protocolo de vídeo detalhado, apresentamos e discutir os passos de nossa estratégia de síntese para a preparação destes Pr-dopado cerâmica STO que exibem melhores propriedades electrónicas e termoeléctricos.