Optimization of the electronic, thermal and mechanical properties of Bi2Te3-based room temperature thermoelectric materials
Oda sıcaklığında kullanılan bizmut tellür tabanlı termoelektrik malzemelerin elektrik, ısıl ve mekanik özelliklerinin optimizasyonu
- Tez No: 703494
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT AYDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 138
Özet
Enerji kaynaklarının tüketimi çevre sorunları ve kaynakların yetersizliği göz önünde bulundurulduğunda önemli bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Çözüm olarak yenilenebilir enerji kaynaklarının teşvik edilmesinin yanı sıra atık ısı yönetimi 20.yüzyılın ortalarından itibaren popülarite kazanmaya başladı. Atık ısı kaynakları ise her yerde mevcuttur. Toplam enerjinin %60'ına denk gelen atık enerji toksik olmayan, hafif ve emisyonsuz termoelektrik malzemeler kullanılarak ısıya dönüştürülebilmektedir. Bu tür malzemelerin verimini artırmanın yolu ise matematiksel olarak 𝑧𝑇 = %&' ( 𝑇 ile ifade edilen zT katsayısını artırmaktan geçer. Bu formülde S Seebeck katsayısını, σ elektrik iletkenliği, κ ısıl iletkenliği ve T sıcaklığı ifade etmektedir. zT'yi etkileyen parametreler birbirleriyle ters orantılı olduğu için optimum verimliliği elde etmek bir hayli zordur. Bizmut Tellür içeren malzemeler aynı enerji seviyesinde birçok band bulundurmaları ve görece düşük ısıl iletkenliklerinden dolayı oda sıcaklığında (323K) yüksek termoelektrik verimliliğe sahiptirler ve soğutma cihazlarında sıklıkla kullanılırlar. Mevcut tez çalışması n- ve p-tipi Bi2Te3 tabanlı yarıiletken malzemelerin taşıyıcı konsantrasyonunun artırılması veya ısıl iletkenliğin düşürülmesi yoluyla yüksek termoelektrik ve mekanik özellikler elde etmeyi amaçlamaktadır. Çalışmalar sonucunda daha önce denenmemiş bir malzeme olan Cu2.9Te2 mineralinin p-tipi (Bi,Sb)2Te3 bileşiğinin elektrik özelliklerini ciddi ölçüde artırırken termal özelliklerine zarar vermediği gözlenmiştir. % 0.1 mol Cu2.9Te2 eklemenin (Bi,Sb)2Te3 bileşiğinin zT'sini 467K'de 1.32'ye çıkarması araştırmanın en çarpıcı sonuçlarındandır. Bu değer ayrıca doplanmamış malzemenin aynı sıcaklıktaki zT değerinden %106 fazladır. Maksimum zT değerindeki kayda değer artışa ek olarak malzemelerin oda sıcaklığındaki zT değerleri ve mekanik özellikleri de iyileştirilmiştir. (Bi,Sb)2Te3 bileşiğine karbon kaplı nanoboron katkılanması da malzeme verimliliğini artırmada benzer etkilere sahiptir. Kütlece %0.5 ve %0.8 cB eklenen malzemelerin zT değerleri sırasıyla 1.21 ve 1.22 olarak hesaplanmıştır ki bu değerler katkılanmamış malzemelere nazaran %19 ve %14 daha yüksektir. Diğer yandan mekanik özelliklerin de %56 ve %14 arttığı görülmüştür. cB katkısı ayrıca n-tipi malzemelerin termoelektrik ve mekanik özelliklerini de sırasıyla %17 ve %75 oranında geliştirmiştir. Sonuç olarak, elde edilen verilerin Bizmut Tellür türevi malzemelerin çevre dostu ve yenilenebilir soğutma sistemlerinde yaygın kullanımına büyük katkı sağlayacağı aşikardır.
Özet (Çeviri)
The utilization of energy sources is a highly critical issue regarding the environmental concerns and insufficient natural resources. In addition to regulations promoting the use of renewable energy sources, waste energy management has gained attention since the mid-20th century. Sources of waste heat are ubiquitous such that unused heat reaches a total of two-thirds of all energy input. Thermoelectric materials allow direct conversion of dissipated heat into electricity and vice versa by using nontoxic, lightweight and emission free materials. Improving the efficiency of such materials requires the increment of thermoelectric figure of merit, 𝑧𝑇 = %&' ( 𝑇 where S, σ, and κ symbolize the Seebeck coefficient, electrical conductivity, and thermal conductivity, respectively. Nonetheless, decoupling of these transport coefficients is quite difficult as they are interdependent, making the optimization of zT challenging.Bi2Te3 - based thermoelectric materials are heavily used in thermoelectric cooling systems owing to their high band degeneracy along with relatively low thermal conductivity resulting in a zT > 1 at room temperature (323K) This thesis study focuses on the significant enhancement of thermal, electronic and mechanical properties of both n- and p-type Bi2Te3-based materials by optimizing the carrier concentration and reducing the thermal conductivity. For the first time, rickardite mineral (Cu2.9Te2) was doped into p-type (Bi,Sb)2Te3 to increase the electrical conductivity without significant deleterious effects on the thermal conductivity.Results indicate that as-doped Bi2Te3 attains a zT of 1.32 at 467 K, which is 106% higher than the undoped pristine sample at the same temperature. Besides this record-high increment in peak zT, room temperature zT and microhardness were elevated by 18% and 64%, respectively. Doping of carbon-coated nano boron (cB) was found to have a similar contribution to the efficiency of (Bi,Sb)2Te3. For example, 0.5 and 0.8 wt% cB additions resulted in a zT of 1.21 and 1.22, which are 19% and 14% higher than their undoped counterparts. On the other hand, mechanical hardness values were recorded to be 56% and 14% higher than pristine samples. Furthermore, cB addition was a facile method to optimize the thermoelectric and mechanical properties of n-type Bi2Te2Se by 17% and 75%, respectively. These extraordinarily promising results can contribute to the widespread use of n- and p-type Bi2Te3 in thermoelectric cooling applications that are free of greenhouse gases.
Benzer Tezler
- ZnO tozunun yüksek enerjili öğütme davranışlarının incelenmesi ve bu tozlardan hareketle ZnO katkılı polimer kompozitlerin geliştirilmesi
Optimization of high energy milling behaviour of ZnO powders and development of polymer-ZnO composite structures
SEZEN SEDA YAKAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. BURAK ÖZKAL
- High energy milling and spray drying characteristics of MoO3, Cr2O3 and WO3 powders
MoO3, Cr2O3 ve WO3 tozlarının yüksek enerjili öğütme ve püskürtmeli kurutma karakteristikleri
LEILA HAGHIGHIGHI POUDEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Seramik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURAK ÖZKAL
- Fabrication and characterization of hybrid nanofiller reinforced polyurethane nanocomposites
Hibrit nanodolgu takviyeli poliüretan nanokompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu
AMIR NAVIDFAR
Doktora
İngilizce
2021
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Preparation of biocompatible composite 3d architectures based on graphene oxide (GO) and chitosan for flexible all solid state supercapacitors
Esnek tüm katı hal süper kapasitörler için grafen oksit (GO) ve kitosan bazlı biyouyumlu kompozit 3d mimarilerin hazırlanması
SAEIDEH ALIPOORILEMEESLAM
Doktora
İngilizce
2024
Polimer Bilim ve TeknolojisiHacettepe ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BARSBAY
- Development of force fields for novel 2d materials for temperature dependent vibrational properties
Yeni 2b malzemeler için etkileşim potensiyellerinin geliştirilmesi: Sıcaklığa bağlı titreşim özellikleri
ARASH MOBARAKI
Doktora
İngilizce
2019
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ GÜLSEREN
PROF. DR. CEM SEVİK