Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

CdSe-SnSe nanokompozitler, yüzey mühendisliği SnSe parçacıklarının birleştirilmesiyle üretilir. SnSe parçacıkları üretmek için basit bir sulu sentez kullanılır. SnSe parçacıklarının CdSe moleküler kompleksleri ile kaplanması, tane boyutunun kontrol edilmesine ve nanokompozitte bulunan kusur sayısının arttırılmasına izin verir, böylece termal iletkenliği düşürür.

Özet

Son yıllarda, çözüm süreçleri, yüksek performanslı termoelektrik malzemeler üretmek için uygun maliyetli ve ölçeklenebilir bir yöntem olarak önemli bir ilgi görmüştür. Süreç, her biri performans, kararlılık ve tekrarlanabilirliğin belirlenmesinde çok önemli bir rol oynayan sentez, saflaştırma, ısıl işlemler ve konsolidasyon gibi bir dizi kritik adımı gerektirir. Yayınlanmış eserlerin çoğunda açıklanan adımların her biri için daha kapsamlı ayrıntılara ihtiyaç duyulduğunu fark ettik. Ayrıntılı sentetik protokollerin önemini kabul ederek, burada en yüksek performanslı polikristalin p-tipi SnSe'lerden birini sentezlemek ve karakterize etmek için kullanılan yaklaşımı açıklıyoruz. Özellikle, sudaki SnSe partiküllerinin sentezini ve konsolidasyon üzerine CdSe-SnSe nanokompozitleri veren CdSe moleküler kompleksleri ile müteakip yüzey işlemini rapor ediyoruz. Ayrıca, yüzey işlemi, ikincil faz CdSe nanopartiküllerinin Zenner iğnelemesi yoluyla tane büyümesini engeller ve farklı uzunluk ölçeklerinde kusur oluşumunu arttırır. SnSe'ye göre CdSe-SnSe nanokompozit mikro yapısındaki gelişmiş karmaşıklık, fonon saçılımını teşvik eder ve böylece termal iletkenliği önemli ölçüde azaltır. Bu tür yüzey mühendisliği, kusurların ortaya çıkarılması ve kontrol edilmesi için çözüm işlemede fırsatlar sunarak, taşıma özelliklerini optimize etmeyi ve yüksek bir termoelektrik değer rakamı elde etmeyi mümkün kılar.

Giriş

Isıyı elektriğe dönüştüren ve bunun tersini yapan termoelektrik (TE) malzemeler, sürdürülebilir enerji yönetiminde önemli bir rol oynayabilir1. Bununla birlikte, bu malzemelerin nispeten yüksek üretim maliyetleri ile birleşen düşük dönüştürme verimlilikleri, endüstriyel ve evsel kullanım için geniş uygulamalarını sınırlamıştır. Mevcut zorlukların üstesinden gelmek için, uygun maliyetli sentetik yöntemler ve önemli ölçüde geliştirilmiş verimliliğe sahip bol ve toksik olmayan malzemelerin kullanımı uygulanmalıdır.

S'nin Seebeck katsayısı olduğu, elektriksel iletkenliği, T'nin mutlak sıcaklığı ve κ'nin termal iletkenliği σ zT= S2σT/κ değerinin termoelektrik rakamı, bu malzemelerin verimliliğini belirler. Bu özelliklerin güçlü bir şekilde birleştirilmesi nedeniyle, zT'yi en üst düzeye çıkarmak zorlu bir iştir. Genellikle, yük ve fonon saçılma mekanizmalarını 2,3,4,5 kontrol etmek için elektronik bant yapısının ve mikroyapısal kusurların ayarlanmasını gerektirir.

Son on yılda, kalay selenit (SnSe), tek kristal formundaki (zT: p-tipi ~ 2.6, n-tipi ~ 2.8) olağanüstü performansı nedeniyle toksik olmayan bir termoelektrik malzeme olarak keşfedilmiştir.6,7. Bununla birlikte, tek kristallerin üretilmesi pahalıdır ve bu da cihazlara uygulanabilirliklerini sınırlar. Alternatif olarak, polikristalin SnSe'nin üretilmesi daha ucuzdur ve mekanik olarak daha kararlıdır. Sorun şu ki, yüksek performans elde etmek, kısmi anizotropi kaybı, azalan elektriksel iletkenlik, daha fazla oksidasyon kolaylığı vedoping seviyesi 8,9,10'un kesin olmayan kontrolü nedeniyle zorluklar ortaya çıkarmaktadır.

Polikristalin inorganik TE malzemeleri genellikle iki aşamada işlenir: yarı iletkenin toz halinde hazırlanması ve ardından tozun yoğun bir pelet halinde konsolidasyonu. Tozlar, yüksek sıcaklık reaksiyonları ve öğütme yoluyla veya doğrudan bilyalı öğütme 11,12,13,14,15,16 ile hazırlanabilir. Alternatif olarak, tozlar, daha az zorlu koşullar (yani daha düşük reaktif saflığı, daha düşük sıcaklıklar ve daha kısa reaksiyon süreleri) gerektiren çözelti yöntemleri (örneğin hidrotermal, solvotermal, sulu sentez) yoluyla sentezlenebilir17,18,19,20,21.

Bu makale, suda sentezlenen yüzeyi modifiye edilmiş SnSe parçacıklarından yoğun SnSe nanokompozitleri üretmek için bir yöntemi açıklamaktadır. İşlem, sırasıyla Se ve Sn reaktiflerini çözündürmek için indirgeyici ajanların ve bazların kullanıldığı SnSe partiküllerinin sulu sentezinden başlar. Çözeltiler birleştirildiğinde, SnSe parçacıkları hemen çökelmeye başlar. Saflaştırmadan sonra, SnSe partikülleri daha sonra CdSe moleküler kompleksleri ile işlevselleştirilir. Tavlama işlemi sırasında moleküler kompleksler ayrışır; CdSe nanopartiküllerinin oluşturulması19. CdSe nanopartiküllerinin varlığı, tane büyümesini engeller ve değişen uzunluk ölçeklerinde birçok kusurun oluşumunu teşvik eder. Bu saçılma kaynakları, düşük ısı iletkenliği ve yüksek termoelektrik değer22 rakamı ile sonuçlanır.

Protokol

figure-protocol-68
Şekil 1: CdSe-SnSe peletlerinin üretimi için adımlar üç adıma ayrılmıştır: 1) SnSe partikül sentezi, 2) CdSe ile partikül yüzeyi işlevselleştirmesi ve 3) yoğun CdSe-SnSe peletlerine termal işleme. Kısaltma: MFA = N-metilformamid. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

1. SnSe parçacıklarının sulu sentezi

NOT: SnSe parçacıkları, önceden hazırlanmış Sn ve Se öncüllerinin karıştırılmasıyla bir birlikte çökeltme reaksiyonu yoluyla elde edilir. Parçacıklar oluşturulduktan sonra, onları reaksiyon yan ürünlerinden ve safsızlıklardan ayırmak için bir saflaştırma aşaması gereklidir.

  1. Se öncüsünün hazırlanması
    1. Bir karıştırma çubuğu ile donatılmış 500 mL iki boyunlu yuvarlak tabanlı bir şişeye (bir büyük ve küçük boyunlu), bir ölçüm silindiri kullanarak 400 mL deiyonize su ekleyin ve karıştırmaya başlayın. Bir tartı teknesinde 6,05 g (160 mmol) sodyum borhidrür tozu (%99 NaBH4) tartın ve şişenin büyük boynundan yuvarlak tabanlı şişeye ekleyin. Çözelti şeffaflaştığında belirtilen tamamen çözünene kadar bekleyin.
    2. Tartı kağıdı kullanarak 6,32 g (80 mmol) selenyum tozu (%≥99,5 Se) tartın. Borohidrür çözeltisinin karıştırılmasını durdurun ve Se'yi şişenin büyük boynundan yavaşça ekleyin.
      NOT: Çözünme sırasında hidrojen gazı üretildiği için kuvvetli kabarcıklanma meydana gelir (DİKKAT: Hidrojen gazı yanıcıdır).
    3. Kabarcıklanma yerleştikten sonra, yuvarlak tabanlı şişenin küçük boynuna kauçuk bir septum yerleştirin. Bir konektör ile donatılmış Schleck hattından takılan uzun bir tüp ile, şişeyi argon akışı altında şişenin büyük boynu üzerinden Schleck hattına bağlayın ve karıştırmayı yeniden başlatın.
      NOT: Cam eşyaların sıkışmasını önlemek için Schlenk hattına bağlamadan önce tüm cam eşya bağlantılarını yağlayın. Çözelti, argon akışı altında (~ 20 dakika) zamanla şeffaf hale gelir ve bu da Se'nin çözündüğünü gösterir.
  2. Sn öncüsünün hazırlanması
    1. Bir karıştırma çubuğu ile donatılmış 1000 mL'lik üç boyunlu yuvarlak tabanlı bir şişeye (merkezde bir büyük boyun ve iki küçük boyun), şişenin büyük boynundan bir ölçüm silindiri kullanarak 360 mL deiyonize su ekleyin. Şişeyi bir ısıtma mantosuna ve ardından mantoyu bir karıştırma plakasına yerleştirin. Termokupllu bir adaptör yerleştirmek için şişenin yan boyunlarından birini kullanın. Schlenk hattına bağlı bir kondansatörü büyük boyuna takın, şişenin kalan boynuna lastik bir tıpa yerleştirin ve argon akışı altında karıştırmaya başlayın.
    2. Kauçuk septumu çıkarın, 30.06 g (750 mmol) sodyum hidroksit peletleri (%≥98 NaOH) ekleyin ve septumu geri yerleştirin. Tamamen çözündükten sonra çözelti şeffaf hale gelene kadar bekleyin (~ 5 dakika).
    3. Septumu tekrar çıkarın, 16.25 g (72 mmol) kalay (II) klorür dihidrat tozu (%98 SnCl2·2H2O) ekleyin ve septumu geri yerleştirin. Çözelti çözündükten sonra sarı bir tonla şeffaf hale gelene kadar bekleyin.
  3. Çözeltilerin karıştırılması; SnSe parçacık oluşumu
    1. Sn çözeltisini 101 °C'ye ayarlayın; Bu sıcaklığa geldikten sonra septumu çıkarın ve bir ayırma hunisi yerleştirin. Argonun huniden 5 dakika geçmesine izin verin. Se solüsyonunu içeren şişeden kauçuk septumu çıkarın ve Se solüsyonunu ayırma hunisi yoluyla Sn solüsyonuna aktarın (akış hızı 11 mL / s).
      NOT: Çözelti hemen siyaha dönerek SnSe oluşumunu gösterir. (Toplam hacim 760 mL olacaktır)
    2. Tüm Se çözeltisi eklendikten sonra, huniyi kauçuk bir septum ile değiştirin, karışımın tekrar ayarlanan sıcaklığa (~ 101.0 ° C) ulaşmasına izin verin ve 2 saat daha karıştırmaya devam edin. Isıtmayı durdurun, ısıtma mantosunu çıkarın ve termokupl hala bağlıyken, karıştırırken yuvarlak tabanlı şişeyi bir su banyosuna yerleştirin.
  4. Parçacıkların saflaştırılması
    1. Karışım ~35 °C'ye soğuduktan sonra, yuvarlak tabanlı şişeyi Schleck hattından ayırın ve yuvarlak tabanlı bir şişe desteğine yerleştirin. Parçacıkların 5 dakika çökmesine izin verin ve dikkatli bir şekilde dökerek ~ 600 mL süpernatanı çıkarın. Kalan ham çözeltiyi, tüp başına ~ 40 mL olmak üzere dört santrifüj tüpüne bölün. Ham çözeltiyi 1 dakika boyunca 4.950 × g'da santrifüjleyin; Bu yıkama #0; Süpernatanı atın.
      NOT: Süpernatan başlangıçta sarıdır, ancak oksijene maruz kaldığında kırmızıya döner.
    2. Çökeltilmiş parçacıklarla birlikte her bir santrifüj tüpüne 40 mL deiyonize su ekleyin ve karışımı 1 dakika boyunca vorteksleyin. Karışımı bir sonikasyon banyosunda 5 dakika boyunca sonikleştirin ve santrifüjlemeden önce 1 dakika daha girdap yapın (1 dakika boyunca 9.935 × g ). Açık sarı süpernatanı atın; Bu yıkama #1).
    3. Adım 1.4.2'yi tekrarlayın, ancak çözücü olarak su yerine etanol kullanın; Bu, # 2, 9,935 × 2 dakika boyunca g ) yıkamadır). Adım 1.4.2'yi takiben ek 4 kat daha arındırın: alternatif su (2 dakika boyunca # 3, 11.639 × g ve 3 dakika boyunca # 5, 11.639 × g yıkama) ve etanol (yıkama # 4, 11.639 × g 2 dakika ve # 6, 12.410 × g 5 dakika boyunca).
      NOT: Her yıkamada, süpernatan #2 yıkamada berraklaşır, ancak partikül kaybıyla koyulaşır ve bulanıklaşır.
    4. Saflaştırma adımı #6'dan sonra, tozu kurutmak için tüpleri en az 12 saat vakum altında (>10 mbar) bir desikatöre yerleştirin. SnSe parçacıkları içeren tüpleri N2 dolgulu bir torpido gözüne aktarın ve ince bir toz elde etmek için bir akik havanı ve havan tokmağı kullanın. 20 mL'lik bir şişede, adım 3.1'de daha fazla kullanım için elde edilen tozun 4.00 g'ını tartın. Kalan tozu torpido gözünün içindeki 20 mL'lik başka bir şişede saklayın.
      NOT: Bu talimatın izlenmesi ~14 g malzeme ile sonuçlanacaktır.
    5. X-ışını Kırınımı (XRD) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) karakterizasyonu için 20 mg toz ayırın (numune adı: SnSe-Tavlamadan Önce).

2. CdSe moleküler kompleksleri ile SnSe yüzey işlemi

  1. CdSe moleküler komplekslerinin hazırlanması
    1. Torpido gözünde 513,6 mg (4 mmol) kadmiyum (II) oksit (%≥99,98 CdO) ve 316 mg (4 mmol) selenyum tozu ağırlığında olun ve her iki tozu da bir karıştırma çubuğu ile 4 mL'lik bir sintilasyon şişesine yerleştirin. 8 mL etilendiamin (% 99 C2H8N2) ve 0.8 mL 1, 2-etanedithiol (% >95, C2H6S2) ekleyin, şişeyi kapatın ve karışım yarı saydam ve kırmızımsı kahverengi olana kadar karıştırın, bu da Şekil 1'de gösterildiği gibi CdO ve Se'nin (~ 20 dakika) tamamen çözünmesi üzerine CdSe komplekslerinin oluşumunu gösterir.
      NOT: Torpido gözünde solventlerle çalışırken, üfleyiciyi kapatın ve sistemi boşaltın. Bu, arıtma sistemini korur. DİKKAT: Tiyoller katalizörün ömrünü kısaltabilir.
  2. SnSe partiküllerinin yüzey işlemi
    1. Yine torpido gözü içinde, karıştırma çubuklu 20 mL'lik bir sintilasyon şişesine, 10 mL susuz N-metilformamid (vakumla damıtılmış, MFA) ve 1.32 mL (0.6 mmol) ekleyin adım 2.1.1'de hazırlanan CdSe moleküler kompleksleri. Bu CdSe-MFA karışımını adım 1.4.4'ten itibaren 4.00 g SnSe tozuna ekleyin, şişeyi kapatın ve oda sıcaklığında 48 saat karıştırın.
      NOT: Bu süreden sonra, süpernatantın rengi kırmızı-kahverengimsiden sarıya değişir, bu da CdSe komplekslerinin SnSe parçacık yüzeyindeki adsorpsiyonunu gösterir.
  3. CdSe yüzey işlem görmüş SnSe partiküllerinin saflaştırılması
    1. Torpido gözünün içinde CdSe-SnSe karışımını bir santrifüj tüpüne aktarın ve 40 mL susuz etanol (ekstra kuru) ekleyin. Karışımı 1 dakika vorteksleyin, santrifüjleyin (1 dakika boyunca 12298 × g ) ve sarı süpernatanı atın.
    2. Parçacıklarla birlikte tüpe 40 mL susuz etanol ekleyin, 1 dakika girdap yapın ve santrifüjleyin (1 dakika boyunca 12.298 × g ). Renksiz olan süpernatanı atın.
    3. Tozlu tüpü torpido gözünden çıkarın ve parçacıkları bir kurutucu (>10 mbar) içinde en az 12 saat vakum altında kurutun. Yüzey işlem görmüş parçacıkların bulunduğu tüpü torpido gözüne geri aktarın ve ince bir toz elde etmek için bir akik harcı ve havaneli kullanın. Elde edilen tozu daha sonra kullanmak üzere torpido gözünde 20 mL'lik bir şişede saklayın.
      NOT: Bu talimatın izlenmesi ~ 4.00 g malzeme ile sonuçlanacaktır.
    4. XRD ve SEM karakterizasyonları için 20 mg toz ayırın (numune adı: CdSe-SnSe-Tavlamadan Önce).

3. Isıl işlemler ve konsolidasyon

NOT: Yüzey işleminin etkisini değerlendirmek için, CdSe kompleksleri olan ve olmayan numuneler hazırladık. Yüzey işlemleri yapılmamış SnSe tozları, adım 1.1.3'ten sonra elde edilenlerdir; CdSe-SnSe tozları, adım 2.3'ten sonra elde edilenlerdir. Her iki durumda da, 8,16 mm x 12 mm'lik silindirler üretmek için yaklaşık 4,00 g SnSe ve 4,00 g CdSe-SnSe partikülleri kullanıyoruz. Tozlardan yoğun peletlere kadar, her iki numune türü de aşağıdaki bölümlerde açıklananla aynı işlemlerden geçer.

  1. Borulu bir fırında tavlama
    1. Yüzey işlem görmüş tozu torpido gözünden çıkarın.
    2. Şekillendirme gazının (%95N2 + %5H2, 0,3 L/dak) borulu fırının kuvars tüpünden 5 dakika boyunca akmasına izin vermek için gaz giriş vanasını ve gaz çıkış vanasını açın. Tüpün bir ucunu açın, şişenin kapağını açın ve şişeyi, şişenin açıklığı gaz akış yönüne bakacak şekilde kuvars tüpün ortasına yerleştirin. Tüpü kapatın ve şekillendirme gazının 10 dakika daha akmasına izin verin.
    3. Fırının sıcaklık profilini 10 °C/dk ısıtma hızında 500 °C'ye ısıtacak şekilde ayarlayın ve doğal olarak oda sıcaklığına (~40 dk) soğutmadan önce bu sıcaklıkta 1 saat tutun. Programı çalıştırın. Tozu oda sıcaklığındaki fırından çıkarın ve torpido gözüne aktarın. İnce bir toz elde etmek için bir akik harcı ve havaneli kullanın. XRD ve SEM analizi için 20 mg toz ayırın (numune adları: SnSe-Tavlamadan sonra ve CdSe-SnSe-Tavlamadan sonra)
      NOT: 350 °C'nin üzerinde, Se buharlaşırken ve tüpün soğutucu uçlarında yoğunlaşırken fırının kuvars tüpünün iç kısmında kırmızı bir kalıntı görülecektir.
  2. Spark Plazma Sinterleme (SPS) ile konsolidasyon, kesme ve parlatma
    1. Kalıbın yüklenmesi
      NOT: Kalıp özellikleri için Ek Tablo S1'e bakın: yükseklik: 60 mm, iç çap: 8,6 mm, dış çap: 30 mm, gövde (x 2); 30 mm x 8 mm.
      1. 26 mm x 60 mm boyutlarında bir parça grafit levha (kalınlık 0,254 mm) kesin. Grafit levhayı yuvarlayın ve kalıbın içini hizalayın. Grafit levhadan dört disk kesin (Φ =8 mm).
      2. Bir sapı kalıbın yarısına kadar yerleştirin, grafit disklerden ikisini gövdenin üzerine düz bir şekilde oturacak şekilde yerleştirin ve kalan gövdeyi yerleştirerek ve iki gövdeyi birbirine sıkıştırarak bastırın. En son takılan gövdeyi çıkarın ve yarı hazırlanmış kalıbı (kalan gövde ve iki grafit disk) torpido gözüne yerleştirin.
      3. Tozu tartı kağıdı kullanarak kalıba yerleştirin ve düz bir yüzey oluşturmak üzere tozu sıkıştırmak için diğer sapla sıkıştırın. En son takılan gövdeyi çıkarın, kalan iki grafit diski tozun üzerine yerleştirin ve kalan gövdeyi yerleştirin (Şekil 2A). Kalıbı torpido gözünden çıkarın ve tamamlanan kalıbın toplam yüksekliği ~83 mm olana kadar soğuk pres (~0,3 kN) kullanarak tozu sıkıştırın.
        NOT: Bu adım, kalıbı SPS'ye takmak için gereklidir (Şekil 2B).
      4. SPS'yi açın ve hazırlanan kalıbı sahnenin ortasına yerleştirin. Kalıbı yerine sabitlemek için üst elektrodu indirin ve termokupl'u yerleştirin (ayrıntılar için Ek Şekil S1'e bakın). Hazneyi kapatın, üst elektrot Z ekseni kontrolünü sürekli aşağı hareket edecek şekilde ayarlayın ve vakum uygulayın.
      5. Manometre minimuma ulaştıktan sonra Pirani göstergesini açın ve 10 dakika bekleyin. 5 dakika boyunca 500 °C'de 47 MPa'lık bir eksenel basınç uygulayarak otomatik model tablosundan presleme koşullarını seçin (hız: 100 °C/dk). SPS'nin sıcaklık ve basınç kontrollerini otomatik olarak ayarlayın.
      6. Termokuplun hala kalıba takılı olduğunu, vakumun <5 Pa olduğunu, basınç ve sıcaklık kontrollerinin otomatik olarak ayarlandığını ve üst elektrot kontrolünün sürekli aşağı olarak ayarlandığını kontrol edin. Dalga kaydedici yazılımında, ölçümle başlayın, basıncı ve Z eksenini takip edin ve ardından konsolidasyonu başlatmak için sinter AÇIK düğmesine basın.
        NOT: Isınma sırasında akım, voltaj, Z ekseni veya basınçta herhangi bir dalgalanma olmadığından emin olmak için parametrelerin gelişimini izleyin.
      7. Kalıp oda sıcaklığına soğuduktan sonra, vakum ve Pirani göstergesini kapatın, sıcaklık ve basıncı manuel kontrole ve Z eksenini durdurma adımına ayarlayın. Hazneyi havalandırın ve açın. Termokupl'u ek parçadan çıkarın ve kalıbı çıkarmak için elektrodu kaldırın.
    2. Kesme ve parlatma
      1. Üst gövdeyi soğuk bir presle iterek yoğun silindiri kalıptan çıkarın ve ardından bir geçmeli bıçak kullanarak silindiri her iki gövdeden ayırın.
      2. Elektrikli testere ve gerekli adaptörlerle (adaptör teknik özellikleri için Ek Şekil S2'ye bakın), konsolide silindirden bir pelet ve bir çubuk kesin. Bir geçmeli bıçak kullanarak grafit astarı çıkarın. Numuneleri zımpara kağıdı ile eşit ve düzgün bir şekilde cilalayın (pelet: 1,3 mm kalınlık, 8 mm çap; çubuk: 1,3 mm kalınlık, 7 mm yükseklik, 6,5 mm genişlik). Bir kumpas kullanarak, numunelerin tamamı boyunca malzeme boyutlarının tutarlı bir şekilde elde edildiğinden emin olun. Çubuğu ve peleti 4 mL'lik bir sintilasyon şişesinde saklayın (örnek adlar: SnSe çubuğu ve diski ve CdSe-SnSe çubuğu ve diski)
  3. Gaz oluşturmada tavlama sonrası
    1. Şişeyi disk ve çubukla birlikte fırının kuvars tüpüne, şişenin açıklığı gaz akış yönüne bakacak şekilde yerleştirin. Sistemi kapatmak için gaz çıkış vanasını ve gaz giriş vanasını kapatmadan önce şekillendirme gazının 10 dakika akmasına izin verin.
    2. Fırının sıcaklık profilini 10 °C/dk ısıtma hızında 500 °C'ye ısıtacak şekilde ayarlayın ve bu sıcaklıkta 1 saat tutun, doğal olarak oda sıcaklığına (~40 dakika) soğumaya izin verin. Programı çalıştırın.
    3. Oda sıcaklığına geldikten sonra gaz akışını, ardından vanayı içeri ve son olarak vanayı çıkarın. Tüpü açmadan önce gazın 5 dakika akmasına izin verin. Son olarak, tüpü açın, şişeyi çıkarın ve gaz akışını durdurun.
  4. XRD ölçümleri
    1. XRD için toz numunelerinin hazırlanması
      1. XRD ölçümleri için izole edilen 15 mg tozu yerleştirin (numuneler: SnSe-Tavlamadan Önce, CdSe-SnSe-Tavlamadan Önce, SnSe-Tavlamadan Sonra ve CdSe-SnSe-Tavlamadan Sonra) tüplere yerleştirin, her tüpe 0.1-0.2 mL etanol ekleyin ve tozu etanol içinde dağıtmak için 30 saniye boyunca sonikat yapın.
      2. Bir Pasteur pipeti kullanarak, her bir tozu, tüm tutucuyu düzgün bir şekilde kaplayacak şekilde düşük arka planlı bir Si-numune tutucusuna aktarın ve kurumasını bekleyin.
    2. XRD için toplu numunelerin hazırlanması
      1. Küçük bir parça kalıplama kili uygulayın; Numune tutucunun ortasında sivri bir şekil yapın.
      2. Pelet/çubuğu (örnekler: SnSe çubuğu ve diski ve CdSe-SnSe çubuğu ve diski) kilin üzerine yerleştirin ve bir cam slayt kullanarakample, tutucunun yan tarafıyla hizalanana kadar bastırın.
        NOT: Bu, peletin uygun yüksekliğe yerleştirilmesini sağlar ve gelen ışına göre kırınım açılarının uygun şekilde ölçülmesini sağlar.
    3. Tozların ve peletlerin XRD ölçümü
      1. Deney programını kullanarak tüm tozları ve peletleri ölçün (20-80°, çözünürlük: 0,02°, tarama hızı: 1°/dak).
  5. SEM karakterizasyonu
    1. Bir SEM anızına bir şerit karbon bant yerleştirin ve koruyucu contayı çıkarın.
      1. Tozlar için, spatulanın ucunu kullanarak, ~ 1 mg numune (yani tavlamadan önce veya tavlamadan sonra) karbon bandın üzerine yerleştirin.
      2. Peletler/çubuklar için, bir geçmeli bıçak kullanarak, numunenin küçük bir parçasını kesin ve anız üzerindeki yeni bir karbon bant üzerine yerleştirin. Numunenin yüzeyinin değil, iç kısmının yukarı yöne baktığından emin olun.
    2. Örnekleri x1K, x5K, x10K ve x20K büyütmede görüntüleyin.
      NOT: Oksidasyon meydana gelebileceğinden, doğru temsil için her zaman numunelerin yeni bir kesimini görüntüleyin.
  6. LSR'de Seebeck katsayısı (S) ve İletkenlik (σ) ölçümleri
    NOT: Ayarlanan sıcaklığı korurken Seebeck katsayısını ve direnci ölçmek için sıcaklığa bağlı ölçümler yapıyoruz. SnSe katmanlı bir bileşik olduğundan ve polikristalin numune, XRD verilerinde görülebileceği gibi belirli bir derecede doku gösterdiğinden, tüm peletler presleme eksenine paralel ve dik yönde ölçülür. Bununla birlikte, ana metinde, bu yön en yüksek performansı gösterdiğinden, yalnızca paralel yönden elde edilen sonuçlar rapor edilir.
    1. Numunenin yüklenmesi
      1. Numunenin boyutlarını ölçün (çubuk için: kalınlık ve genişlik). Ölçüm yazılımında, veri toplama DAQ sekmesi altında, bu numune boyutlarını tanıtın ve numune şeklini, ölçüm dosyasını seçin file adı ve yolu ve numune açıklaması.
      2. Numuneyi elektrotlar arasına monte edin, çubuk ile elektrotlar arasına grafit kağıt (Φ = 0.13 mm) yerleştirin ve çubuk sabitlenene kadar düğmeyi ayarlayın. Termokuplları (probları) numune ile temas edecek şekilde ayarlayın. Çubuğu doğrudan temas problarında olmaktan ayırmak için küçük bir grafit kağıt şeridi (Φ = 0.13 mm) kullanın (bkz. Şekil 3). Problar çubukla temas edene kadar ayarlayın ve ardından uygun termal teması sağlamak için düğmeyi yarım tur çevirin.
        NOT: Düğmeyi ayarlarken çok fazla kuvvet uygulamak, numunenin kırılmasına veya ısıtma döngüsü sırasında bükülmesine (plastik deformasyon) neden olur. Termokupllara yeterince basılmazsa, Seebeck katsayısı fazla tahmin edilecektir (Şekil 3).
      3. Yazılımdaki kişileri Seçenekler/Test kişileri bölümünden kontrol edin. Kamerayı ve ilgili yazılımı kullanarak, problar arasındaki mesafeyi ölçün ve mesafeyi DAQ altındaki yazılıma girin.
        NOT: Mevcut numune boyutları için, maksimum 4 mm'lik bir prob mesafesi ayarlandığından, kaydedilen maksimum mesafe bu mesafeyi aşmamalıdır.
      4. Inconel susceptor'u (metal kapak) numunenin üzerine dikkatlice yerleştirin ve termokupl'u yerleştirin. Fırını kapatın ve 10 dakika vakum uygulayın. Hazneyi helyumla doldurun ve bir kez daha vakum uygulayın. Sistemde hava kalmadığından emin olmak için bunu 3-4 kez yapın. Son olarak, ~+0,5 bar'lık bir manometrik basınca kadar helyumla doldurun).
        NOT: Algılayıcı, fırının kızılötesi radyasyonunu emer, numuneyi gerekli sıcaklığa ısıtır ve fırının kirlenmesini önler.
    2. Direncin ölçülmesi ve Seebeck
      1. Probların ve elektrotların numune ile iyi bir şekilde temas ettiğinden ve temizleme adımları sırasında herhangi bir kayma olmadığından emin olmak için başka bir temas testi yapın.
      2. Numunelerin Omik davranış (20 mA) gösterdiği en yüksek ölçüm akımını seçmek için bir prob testi (IV eğrisi) yapın.
      3. Yazılım içinde sıcaklık profilini ayarlayın: ısıtma döngüsü, 30 °C ila 500 °C ve soğutma hızı, 20 °C/dk'da 500 °C ila 30 °C, her 20 °C'de bir ölçüm. Ölçümleri üç tam ısıtma ve soğutma döngüsü için çalıştırın.
  7. LFA'daki termal yayılımın (α) ölçülmesi
    1. Toplu numunelerin hazırlanması
      1. Örnekleri (SnSe ve CdSe-SnSe diskleri) ~1 mm kalınlığa kadar cilalayın. (disk: Φ =7,99 mm). İki numunenin her iki tarafını, gelen lazer ışınının yansıtılmamasını ve numuneye verimli bir şekilde aktarılmasını sağlayacak pürüzsüz, yansıtıcı olmayan bir yüzey oluşturan grafit sprey ile kaplayın. Numuneyi grafit numune tutucusuna yerleştirin (Şekil 4). Analizörü açın, numune tutucuyu hazneye yükleyin ve kapatın.
      2. Dedektörü soğutmak için sıvı nitrojen haznesini doldurun. Önce küçük bir hacmi doldurun, yerleşene kadar bekleyin ve ardından gerisini tamamlayın. Konveksiyon yoluyla ısı transferini önlemek için analizör odasına vakum uygulayın, bu da termal yayılımın fazla tahmin edilmesine yol açar.
        DİKKAT: Sıvı nitrojeni yavaşça dökün.
      3. Yazılım ayarlarında numune adını ve kalınlığını tanıtın ve sıcaklık profilini her 50 °C'de bir ölçerek 50 °C/dk'da 30 °C ila 500 °C arasında ayarlayın ve lazeri açın. Lazer voltajının, irisinin, amplifikatörünün ve dedektörün alım süresinin yeterli olduğundan emin olmak için birden fazla (>3) ölçüm (lazer atışı) gerçekleştirin, bu da %>98'lik kaliteli bir uyum ile temsil edilir. Otomatik ölçümleri başlatın.
      4. Ölçümler tamamlandıktan sonra lazeri kapatın, haznenin oda sıcaklığına soğumasını bekleyin, hazneyi havalandırın ve numuneyi çıkarın. Cp'nin Dulong-Petite değeri kullanılarak hesaplanan ısı kapasitesi (Cp) olduğu ve ρ'nin J talimatında ölçülen numunenin yoğunluğu olduğu denklem (1) kullanarak termal iletkenliği hesaplayın.
        figure-protocol-22837(1)
  8. Yoğunluk ölçümü (Arşimet yöntemi)
    NOT: Yoğunluk ölçümleri, taşıma ölçümleri bittikten sonra yapılır.
    1. Termal yayılım ölçümleri için kullanılan grafit kaplamayı çıkarmak ve cilalamak için peleti etanol ile temizleyin. Yoğunluk ölçüm aparatını monte edin (Ek Şekil S3'e bakın), su içinde hava kabarcığı olmadığından emin olun ve terazinin darasını alın. Suyun sıcaklığını ölçün.
    2. Numuneyi platinin üzerine yerleştirin ve ağırlığı havaya (mhava) kaydedin.
    3. Sudaki ağırlığı (msu) kaydetmek için numuneyi platinin tabanındaki suya yerleştirin.
    4. Yoğunluğun ortalamasını elde etmek için 3.8.2 ve 3.8.3 adımlarını 5x için tekrarlayın. Denklem (2) kullanarak malzemenin yoğunluğunu hesaplayın.
      figure-protocol-23782(2)

figure-protocol-23980
Şekil 2: Konsolidasyon için kalıp hazırlığının çizimleri. (A) Grafit kalıbın toz ile montajı. (B) Toz, soğuk pres kullanılarak sıkıştırıldıktan sonra, toz kompakttır ve kalıbın toplam yüksekliği elektrotlar arasına sığacak şekilde azaltılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-24630
Şekil 3: Elektriksel iletkenlik ve Seebeck katsayısının ölçüm kurulumu. Hem (A) cihaza yüklenen çubuğun gerçekçi görünümü hem de (B) şematik görünümü için; 1) elektrot, 2) numune, 3) gradyan ısıtıcılı elektrot ve 4) termokupllar / problar. Numune ile elektrotlar ve termokupllar arasında, cihazın korunmasına yardımcı olan ince grafit parçaları bulunur. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-25392
Şekil 4: Termal yayılım ölçüm kurulumu. (A) Analizörün açık görünümü, (B) içinde bir numune bulunan otomatik magazinin gelişmiş görünümü ve (C) bir numune tutucunun içine yüklenen bir numunenin şematik gösterimi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Sonuçlar

SnSe parçacıklarının üretimi, öncüllerin stokiyometrik oranlarında tamamen çözünmesine dayanır. Protokoldeki önemli bir adım, inert koşullar altındayken Se'nin NaBH4 ile azaltılmasını içerir. Havaya herhangi bir hafif maruz kalma, Şekil 5'te gösterildiği gibi Se öncüsünün renksizden kırmızıya değişmesine (poliselenit oluşumu) neden olur.

SnSe'nin sentezini takiben, parçacıklar bir saflaştırma prosedürüne tabi tutulur. Saflaştırma işleminin ilk süpernatanı sarıdır, ancak oksijene maruz kaldığında turuncuya döner. Bu, öncü fazla eklendiği için reaksiyona girmemiş Se'nin sonucudur. Ek olarak, Şekil 6'da gösterildiği gibi küçük parçacıkların kaybı vardır (adım # 3 ve sonrası). Yüksek iyonik kuvvette, parçacıkların yüzey yükü verimli bir şekilde korunur ve parçacıkların itme yaşamadan birbirine daha yakın olmasını sağlar. Her yıkama adımında iyonik kuvvet azalır ve partikül yüzeyi korunmaz; Böylece, partiküller itilir ve kolloidal olarak stabil kalır ve sonuç olarak saflaştırma prosedürü sırasında kaybolur.

SnSe sentezi, XRD tarafından onaylandığı gibi, saf faz SnSe partisi başına ~ 14 g verir (Şekil 7A). Parçacıklar, 50 nm ile 200 nm arasında bir boyuta sahip polidispers şekildedir (Şekil 7B). Tavlamadan sonra, parçacıkların ortalama boyutu 680 nm'ye çıkar. SPS kullanılarak yapılan yoğunlaştırma ayrıca tahıl büyümesini de teşvik eder ve elde edilen peletlerin nispi yoğunluğu %>90'dır. İşlem görmemiş SnSe ve SnSe-CdSe nanokompozit arasındaki SEM görüntülerinden tane boyutunun bir karşılaştırması yapılır (sırasıyla Şekil 7B ve Şekil 7C). Yüzey işleminin ardından, işlenmemiş SnSe'ye kıyasla önemli ölçüde daha küçük tanecikler elde edilir.

Kesilen ve cilalanan numuneler daha sonra stabilite sağlamak için tavlanır. σ, S ve α, sırasıyla Şekil 3 ve Şekil 4'teki kurulumlar kullanılarak ölçülür. Ölçümlerden, κ ve zT , her ölçümden kaynaklanan belirsizliklerin yayılması dikkate alınarak hesaplanan hata çubukları ile hesaplanır (Şekil 8).

figure-results-2437
Şekil 5: Havaya maruz kalmada Se öncüsünün zaman atlaması. (A) Anında havaya maruz kalmak sarı bir çözelti ile sonuçlanır. (B) 2 dakika sonra çözelti kırmızıya dönmeye başlar ve (C) 3 dakika içinde çözelti Se oksidasyonunun bir sonucu olarak kırmızımsı hale gelir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-3127
Şekil 6: SnSe'nin saflaştırılmasında her yıkama adımından sonra süpernatanlar. Farklı yıkama adımlarının yedi süpernatantının renkleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-3637
Şekil 7: SnSe ve CdSe-SnSe partiküllerinin ve peletinin yapısal ve morfolojik analizi. (A) Çözelti sentezi, tavlanmış toz ve konsolide peletten sonra elde edilen (B) SnSe ve (C) CdSe-SnSe partiküllerinin XRD analizi ve SEM görüntüleri. Ölçek çubukları = 1 μm. Bu rakam Liu ve ark.22'den değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-4391
Şekil 8: Saf SnSe ve CdSe-SnSe'nin termoelektrik özellikleri. (A) Elektriksel iletkenlik, (B) Seebeck katsayısı, (C) toplam termal iletkenlik ve (D) termoelektrik değer rakamı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil S1: Kalıp özellikleri ve boyutları. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil S2: SnSe numunelerini presleme talimatlarına göre kesmek için kullanılan adaptörler. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Şekil S3: SnSe ve CdSe-SnSe numuneleri için yoğunluk ölçüm kurulumu. (A) hava ve (B) su cinsinden ölçülen pelet kütlesi. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Ek Tablo S1: Kalıp özellikleri ve spesifikasyonları. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışmalar

Kritik adımlar
Sn öncüsü ile karıştırılmadan önce selenyum oksidasyonu
Bu çalışmada SnSe, Sn (II) komplekslerinin ve Se2-'nin birlikte çökeltilmesiyle sentezlenmiştir. Metalik selenyumu selenide indirgeyerek başlıyoruz.

figure-discussion-324

Selenyum (gri) azaldığında şeffaf bir çözelti oluşturur. Selenyum öncüsü, oksijene maruz kaldığında, poliselenitlerin oluşumu nedeniyle kırmızıya döner. Bu nedenle, reaksiyon süresince tüm çözeltilerin argon altında tutulması önemlidir.

figure-discussion-706

Kalay klorür ve sodyum hidroksit ısıtıldığında, kalay öncüsü de renksiz bir çözelti içinde çözünür.

figure-discussion-951

Fazla olan selenit ilavesi üzerine (0.9:1; Sn:Se), kalay öncüsüne göre, karışım siyaha döner ve bu da SnSe'nin hemen oluşumunu gösterir.

figure-discussion-1233

Küçük miktarlardaNaBH4 reaktifi su ile reaksiyona girdiğinden, fazla miktarda NaBH4 23,24,25 ekleyerek Se'nin oksidasyonunu önlemek önemlidir. SnSe oluşumu anlık olsa da, partiküllerin büyümesine izin vermek için reaksiyon ~100 °C'de 2 saat daha tutulur 26,27.

Arıtma
Sentezlenen parçacıklar daha sonra Na+, Cl-, B(OH)3, B(OH)4-, OH- ve fazlaBH4- ve Se2-/HSe- gibi yan ürünler ve potansiyel safsızlıklar ile süspansiyon halinde oldukları için bir saflaştırma prosedürüne tabi tutulurlar. Bu, çözücüler 28,29,30,31,32,33,34,35 olarak alternatif su ve etanolün altı saflaştırma aşaması için gerçekleştirilir. Saflaştırma prosedüründeki sapma, yapısal karakterizasyon aynı görünürken, farklı performanslara sahip peletlerle sonuçlanır.

CdSe tiyol-amin çözeltisinin taze hazırlanması
CdSe moleküler kompleksleri, tiyol-amin çözeltisinde sınırlı bir süre için stabildir ve bu nedenle, çözünme tamamlandıktan sonra 24 saat içinde kullanılmalıdır22.

Vakumlu kurutma
Vakumlu kurutma, solventlerin partiküllerden hızlı bir şekilde uzaklaştırılmasını kolaylaştıran daha düşük basınçlı bir ortam yaratır. Bu, partiküller içinde sinterleme işlemini ve nihai pelet özelliklerini veya stabilitesini olumsuz yönde etkileyebilecek artık solvent ceplerinin oluşumunu önlemek için gereklidir.

İndirgeyici bir atmosferde saflaştırmadan sonra tavlama tozları
Partiküllerin tavlanması, örneğin tiyol, amin ve aşırı Se 36,37,38 gibi yaygın uçucu safsızlıkları gidermek için önemlidir. Partiküllerin oksijene maruz kalması kaçınılmazdır ve bu nedenle, indirgeyici bir atmosferde tavlama, malzemenin 39,40,41 doğal olarak termal iletkenliğini artıran oksitlerin azaltılmasına yardımcı olur.

Performansı paralel ve dik olmak üzere iki yönde değerlendirin
SnSe'nin anizotropik doğasına uygun olarak, elektriksel ve termal taşıma özellikleri, presleme (paralel) ve presleme dışı (dikey) yönlerde farklıdır. Bu nedenle, her iki yönde taşıma özelliklerini ölçmek için bir çubuğun ve bir diskin kesilmesine izin veren boyutlara sahip silindirik peletlerin hazırlanmasıönemlidir 41.

Taşıma karakterizasyonu için numune hazırlama
Doğru yayılım ölçümleri için pürüzsüz ve düz bir pelet yüzeyi çok önemlidir. Pelet yüzeyindeki kusurlar ısı kayıplarına ve yanlış sonuçlara neden olabilir. Düzgün ve pürüzsüz bir yüzey elde etmek için parlatma gereklidir. İşlem görmüş ve işlenmemiş SnSe'nin yükleme sırasında yönlendirilmesi, doğru taşıma veri analizi için önemli ve çok önemlidir. SnSe gibi anizotropik malzemeler aynı yönde ölçülmeli ve doğru bir zT için birleştirilmelidir (σ, S ve κ). Pelet ve problar arasındaki uygun termal temaslar da doğru S ve ρ ölçümleri için kritik öneme sahiptir.

Sınırlama
Bununla birlikte, sodyum reaktiflerinin kullanılması nedeniyle, yöntem, Na+ iyonları partiküllerin yüzeyine adsorbe edildiğinden ve malzemenin42 taşıyıcı konsantrasyonunu ve σ artıran bir katkı maddesi görevi gördüğünden, p-tipi SnSe üretmekle sınırlıdır.

Tekniğin mevcut/alternatif yöntemlere göre önemi
Su veya etilen glikol18,19 içinde solvotermal, hidrotermal ve basınçsız yöntemler gibi polikristalin SnSe hazırlamak için çeşitli çözelti bazlı teknikler bildirilmiştir. Bu çalışmada, rapor edilen diğer yöntemlerden daha sürdürülebilir olduğu için yüzey aktif madde içermeyen bir sulu senteze43 odaklandık: organik çözücü veya yüzey aktif madde kullanılmaz ve kısa bir reaksiyon süresi gerektirir (2 saat) ve düşük sıcaklıklar (~ 100 ° C) eritme ile yapılanlara kıyasla.

Bu tekniğe hakim olduktan sonra gelecekteki uygulamalar veya yönergeler
Yöntem, diğer kalkojenitler-SnTe, PbSe ve PbTe'nin sentezlenmesinde uyarlanabilir. İndirgeyici ajanları ve bazları Na içermeyen olarak değiştirirken, kasıtlı bir katkı maddesi olmayan saf malzemeler sentezlenebilir. Burada CdSe moleküler kompleksleri ile yapılan gibi yüzey işlemleri, mikro yapıyı kontrol etmek için ikincil bir adımda ikincil fazların eklenebildiği malzeme hazırlığında ek bir esneklik derecesi sağlar. Burada açıklanan özel durumda, CdSe nanopartiküllerinin varlığı, SnSe'ninkine kıyasla sadece CdSe-SnSe partiküllerinin tane büyümesini engellemekle kalmaz, aynı zamanda malzemenin termal iletkenliğini de düşürür (sırasıyla Şekil 7 ve Şekil 8). Liu ve ark. 22 tarafından bildirilen açıklamalar, bu çalışmada şart koştuğumuz yöntemden elde edilen sonuçları desteklemektedir.

Açıklamalar

Yazarların beyan edebilecekleri herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Teşekkürler

ISTA'nın Bilimsel Hizmet Birimleri (SSU), Elektron Mikroskobu Tesisi (EMF) ve Laboratuvar Destek Tesisi (LSF) tarafından sağlanan kaynaklar aracılığıyla bu araştırmayı destekledi. Bu çalışma, Avusturya Bilim ve Teknoloji Enstitüsü ve Werner Siemens Vakfı tarafından finansal olarak desteklendi.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
Chemicals
1, 2-ethanedithiolThermo Scientific75-08-1Vaccum distilled
Absolute EthanolHoneywell64-17-5
Acetone (extra dry)Acros67-64-1 
Anhydrous ethanolThermofischer64-17-5
Cadmium oxideAlfa Aesar1306-23-6
EthylenediamineSigma-Aldrich107-15-3
N-methylformamideSigma-Aldrich123-39-7Vacuum distilled, stored over molecular sieves
SeleniumSigma-Aldrich7782-49-2
Sodium borohydrideSigma-Aldrich6940-66-2
Sodium hydroxideSigma-Aldrich1310-73-2
Tin chloride dihydrateThermo ScientificL0025-69-1
Apparatus/Materials
Reduction adapterBartelt9.011 755
Adapter with NS stopcockBartelt9.012 312
Agate mortar and pestleBartelt6204102
Caliper Sartorius5007021150
Carbon tape Micro to Nano15-000508
Centrifuge tubes x 4 Sarstedt Ges.m.b.H.62.547.25450 mL
CondenserBartelt6.203 028
Crystallising dishesBartelt7.021 089
Graphite foilFisher Scientific113269670.254 mm
Measuring cylinder Bartelt6.082 194250 mL
Micropipette Eppendorf3123000063Research plus 100-1000µL (GLP)
Quartz tube Hansun Electric Technology Co. Ltd50ODx 44 ID x 650 L, mm for DIY Tube Furnace
Round-bottom flask 2-neck Bartelt4.008 387500 mL
Round-bottom flask 3-neck LactanE614.11000 mL
Rubber septum x 3 Bartelt9.230 657
Sand paperRS Components OC484-59421 sheet, 1200 grit
Schlenk lineChemglassCG-4436-03
Separating funnel Bartelt9.203 325250 mL
Magnetic stir bars, ovalBartelt9.197 592
Magnetic stir bars, cylindricalBartelt9.197 520
Magnetic stir bars, octagonalVWR442-0345
Succintillation vials x  4 Sigma-AldrichZ561754-1EA20 mL
Succintillation vials x  1Bartelt9.003 4824 mL
Equipment
AGUS-Pecs Spark Plasma Sintering (SPS)Suga CO., LTD.AGUS-PECSSPS-210Sx
Bruker D8 Advance X-ray Diffraction Bruker
CentrifugeEppendorfCentrifuge 5810
Cold pressSpecac™ Atlas Manual 15T Hydraulic Press
Density MeterBartelt6263396
Electric saw Amazon
FE-SEM Merlin VP ContactCarl Zeiss Merlin Compact VP
Heating mantle 1000 mL Bartelt9.642 406
Benchtop Temperature ControllerCole-ParmerDigi-Sense TC9600
Linseis Laser Flash Analyser- LFA-1000LinseisLFA-1000
Linseis LSR-3LinseisLSR-3/800
Magnetic stirrer HeidolphMR Hei-Tec
Tubular furnace Hansun Electric Technology Co. LtdCompact split tube furnace
Software
DIFFRAC.COMMANDERBrukerComes with the equipment
Laser Flash Lenseis-AproSoft v.3.01 c.001LenseisComes with the equipment
LaserflashLenseisComes with the equipment
Lenseis data evaluationLenseisComes with the equipment
LSR MeasureLenseisComes with the equipment
LSRDistanceLenseisComes with the equipment
WAVE LOGGERSuga CO., LTD.Comes with the equipment

Referanslar

  1. Alam, H., Ramakrishna, S. A review on the enhancement of figure of merit from bulk to nano-thermoelectric materials. Nano Energy. 2 (2), 190-212 (2013).
  2. Ortega, S., et al. Bottom-up engineering of thermoelectric nanomaterials and devices from solution-processed nanoparticle building blocks. Chemical Society Reviews. 46 (12), 3510-3528 (2017).
  3. Tan, G., Zhao, L. D., Kanatzidis, M. G. Rationally designing high-performance bulk thermoelectric materials. Chemical Reviews. 116 (19), 12123-12149 (2016).
  4. Ibáñez, M., et al. High-performance thermoelectric nanocomposites from nanocrystal building blocks. Nature Communications. 7, 10766 (2016).
  5. Liu, Y., Ibáñez, M. Tidying up the mess. Science. 371 (6530), 678-679 (2021).
  6. Zhao, L. D., et al. Ultralow thermal conductivity and high thermoelectric figure of merit in SnSe crystals. Nature. 508 (7496), 373-377 (2014).
  7. Chang, C., et al. 3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals. Science. 360 (6390), 778-783 (2018).
  8. Lee, Y. K., Luo, Z., Cho, S. P., Kanatzidis, M. G., Chung, I. Surface oxide removal for polycrystalline SnSe reveals near-single-crystal Thermoelectric Performance. Joule. 3 (3), 719-731 (2019).
  9. Lee, Y. K., et al. Enhancing p-type thermoelectric performances of polycrystalline SnSe via tuning phase transition temperature. Journal of the American Chemical Society. 139 (31), 10887-10896 (2017).
  10. Zhou, C., et al. Polycrystalline SnSe with a thermoelectric figure of merit greater than the single crystal. Nature Materials. 20 (10), 1378-1384 (2021).
  11. Caballero-Calero, O., Ares, J. R., Martín-González, M. Environmentally friendly thermoelectric materials: high performance from inorganic components with low toxicity and abundance in the earth. Advanced Sustainable Systems. 5 (11), 2100095 (2021).
  12. Guélou, G., Powell, A. V., Vaqueiro, P. Ball milling as an effective route for the preparation of doped bornite: Synthesis, stability and thermoelectric properties. Journal of Materials Chemistry C. 3 (40), 10624-10629 (2015).
  13. Chen, X., et al. Preparation of nano-sized Bi2Te3 thermoelectric material powders by cryogenic grinding. Progress in Natural Science: Materials International. 22 (3), 201-206 (2012).
  14. Zhang, S. N., et al. Effects of ball-milling atmosphere on the thermoelectric properties of TAGS-85 compounds. Journal of Electronic Materials. 38 (7), 1142-1147 (2009).
  15. Bumrungpon, M., et al. Synthesis and thermoelectric properties of bismuth antimony telluride thermoelectric materials fabricated at various ball-milling speeds with yttria-stabilized zirconia ceramic vessel and balls. Ceramics International. 46 (9), 13869-13876 (2020).
  16. Zevalkink, A., et al. A practical field guide to thermoelectrics: Fundamentals, synthesis, and characterization. Applied Physics Reviews. 5 (2), 021303 (2018).
  17. Chandra, S., Biswas, K. Realization of high thermoelectric figure of merit in solution synthesized 2D SnSe nanoplates via Ge alloying. Journal of the American Chemical Society. 141 (15), 6141-6145 (2019).
  18. Shi, X., Tao, X., Zou, J., Chen, Z. High-performance thermoelectric SnSe: aqueous synthesis, innovations, and challenges. Advanced Science. 7 (7), 1902923 (2020).
  19. Shi, X. L., et al. A solvothermal synthetic environmental design for high-performance SnSe-based thermoelectric materials. Advanced Energy Materials. 12 (20), 1-10 (2022).
  20. Liu, Y., Lee, S., Fiedler, C., Spadaro, M. C., Chang, C., Li, M., Hong, M., Arbiol, J., Ibáñez, M., et al. Enhancing thermoelectric performance of solution-processed polycrystalline SnSe with PbSe nanocrystals. Chemical Engineering Journal. 490, (2024).
  21. Fiedler, C., Calcabrini, M., Liu, Y., Ibáñez, M., et al. Unveiling Crucial Chemical Processing Parameters Influencing the Performance of Solution-processed inorganic Thermoelectric Materials. Angewandte Chemie International edition. , (2024).
  22. Liu, Y., et al. Defect engineering in solution-processed polycrystalline SnSe leads to high thermoelectric performance. ACS Nano. 16 (1), 78-88 (2022).
  23. Lalancette, J. M., Arnac, M. Reductions with sulfurated borohydrides. III. Borohydrides incorporating selenium and tellurium. Canadian Journal of Chemistry. 47 (19), 3695-3697 (1969).
  24. Klayman, D. L., Griffin, T. S. Reaction of selenium with sodium borohydride in protic solvents. A facile method for the introduction of selenium into organic molecules. Journal of the American Chemical Society. 95 (1), 197-199 (1973).
  25. Goldbach, A., Saboungi, M. L., Johnson, J. A., Cook, A. R., Meisel, D. Oxidation of aqueous polyselenide solutions. A mechanistic pulse radiolysis study. The Journal of Physical Chemistry A. 104 (17), 4011-4016 (2000).
  26. Yarema, M., et al. Upscaling colloidal nanocrystal hot-injection syntheses via reactor underpressure. Chemistry of Materials. 29 (2), 796-803 (2017).
  27. Kwon, S. G., Hyeon, T. Formation mechanisms of uniform nanocrystals via hot-injection and heat-up methods. Small. 7 (19), 2685-2702 (2011).
  28. Han, G., et al. Topotactic anion-exchange in thermoelectric nanostructured layered tin chalcogenides with reduced selenium content. Chemical Science. 9 (15), 3828-3836 (2018).
  29. Tang, G., et al. Realizing high figure of merit in phase-separated polycrystalline Sn1-XPbxSe. Journal of the American Chemical Society. 138 (41), 13647-13654 (2016).
  30. Sirikumara, H. I., Morshed, M., Jameson, C., Jayasekera, T. Dopant-induced indirect-direct transition and semiconductor-semimetal transition of bilayer SnSe. Journal of Applied Physics. 126 (22), 224301 (2019).
  31. Zhang, Q. K., et al. Enhanced thermoelectric performance of a simple method prepared polycrystalline SnSe optimized by spark plasma sintering. Journal of Applied Physics. 125 (22), 225109 (2019).
  32. Shi, X., et al. Boosting the thermoelectric performance of P-type heavily Cu-doped polycrystalline SnSe via inducing intensive crystal imperfections and defect phonon scattering. Chemical Science. 9 (37), 7376-7389 (2018).
  33. Xu, R., et al. Nanostructured SnSe integrated with Se quantum dots with ultrahigh power factor and thermoelectric performance from magnetic field-assisted hydrothermal synthesis. Journal of Materials Chemistry A. 7 (26), 15757-15765 (2019).
  34. Shi, X., et al. High thermoelectric performance in P-type polycrystalline Cd-doped SnSe achieved by a combination of cation vacancies and localized lattice engineering. Advanced Energy Materials. 9 (11), 1803242 (2019).
  35. Li, M., et al. Crystallographically textured SnSe nanomaterials produced from the liquid phase sintering of nanocrystals. Dalton Transactions. 48 (11), 3641-3647 (2019).
  36. Cargnello, M., et al. Efficient removal of organic ligands from supported nanocrystals by fast thermal annealing enables catalytic studies on well-defined active phases. Journal of the American Chemical Society. 137 (21), 6906-6911 (2015).
  37. Mohapatra, P., et al. Calcination does not remove all carbon from colloidal nanocrystal assemblies. Nature Communications. 8 (1), 2038 (2017).
  38. Ibáñez, M., et al. Electron doping in bottom-up engineered thermoelectric nanomaterials through HCl-mediated ligand displacement. Journal of the American Chemical Society. 137 (12), 4046-4049 (2015).
  39. Chen, Y. X., et al. Understanding of the extremely low thermal conductivity in high-performance polycrystalline SnSe through potassium doping. Advanced Functional Materials. 26 (37), 6836-6845 (2016).
  40. Zhao, L. D., Chang, C., Tan, G., Kanatzidis, M. G. SnSe: A remarkable new thermoelectric material. Royal Society of Chemistry. 9, 3044-3060 (2016).
  41. Wei, T. -. R., et al. How to measure thermoelectric properties reliably. Joule. 2 (11), 2183-2188 (2018).
  42. Liu, Y., et al. The importance of surface adsorbates in solution-processed thermoelectric materials: The case of SnSe. Advanced Materials. 33 (52), 2106858 (2021).
  43. Han, G., et al. Facile surfactant-free synthesis of p-type SnSe nanoplates with exceptional thermoelectric power factors. Angewandte Chemie. 128 (22), 6543-6547 (2016).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

Anahtar Kelimeler zelti lemeY zey M hendisli iPolikristal CdSe SnSeD k Is letkenli iTermoelektrik MalzemelerNanokompozitlerKusur M hendisli iZener PinlemeFonon Sa lmas

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır