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: Belirtilmemiş.
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
- ScXI (X=S,Se,Te) Tabakalı Yapısının Elektronik Ve Optik Özelliklerinin Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi Kullanılarak İncelenmesi
Investigation Of The Electronic And Optical Properties of ScXI (X=S, Se, Te) Layered Structure Using Density Functional Theory
HAMDİ ONUR BAHADIR
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Fizik ve Fizik MühendisliğiGazi ÜniversitesiFotonik Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ÇAKMAK
- Computer based modelling and simulation of electronic and optical properties of CdSe and ZnSe based heterostructure quantum dots
CdSe ve ZnSe tabanlı heteroyapılı kuantum noktaların elektronik ve optik özelliklerinin bilgisayar tabanlı modellenmesi ve benzetimi
DERYA MALKOÇ
Doktora
İngilizce
2025
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ ÜNLÜ
- XGe3 (X=Be, Mg, Ca, Sr, Ba) bileşiklerinin elektronik ve dinamik özellikleri
Electronic and dynamic properties of XGe3 (X=Be, Mg, Ca, Sr, Ba)compounds
SEDA ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiAksaray ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAVVA ÖZIŞIK
- Semi-empirical modeling and optimization of metal sputtering processes
Metal ile saçtırma süreçlerinin yarı ampirik modellenmesi ve optimizasyonu
ÖZGE ÇİMEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERKAN KINCAL
- Improvement of mechanical characteristics of the thermoset epoxy polymer systems by using nanostructures
Epoksi termoset polimer sistemlerin mekanik karakteristiklerinin nanoyapılar kullanılarak geliştirilmesi
ZAFER AZEM
Doktora
İngilizce
2022
Metalurji MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. UĞUR MALAYOĞLU