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.

Konsolide SnSe Parçacıklarından CdSe-SnSe Nanokompozitlerinin Üretimi

Yazarların beyan edebilecekleri herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

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.
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/66278/66278eq03.jpg" style="margin: auto;">
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.
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/66278/66278eq04.jpg" style="margin: auto;">
Kalay klorür ve sodyum hidroksit ısıtıldığında, kalay öncüsü de renksiz bir çözelti içinde çözünür.
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/66278/66278eq05.jpg" style="margin: auto;">
Fazla olan selenit ilavesi üzerine (0.9:1; Sn:Se), kalay öncüsüne göre, karışım siyaha döner ve bu da SnSe'nin hemen oluşumunu gösterir.
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/66278/66278eq06.jpg" style="margin: auto;">
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.

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.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Chemicals</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1, 2-ethanedithiol</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>75-08-1</td>
			<td>Vaccum distilled</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Absolute Ethanol</td>
			<td>Honeywell</td>
			<td>64-17-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone (extra dry)</td>
			<td>Acros</td>
			<td>67-64-1&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anhydrous ethanol</td>
			<td>Thermofischer</td>
			<td>64-17-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cadmium oxide</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>1306-23-6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethylenediamine</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>107-15-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-methylformamide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>123-39-7</td>
			<td>Vacuum distilled, stored over molecular sieves</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Selenium</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>7782-49-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium borohydride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>6940-66-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium hydroxide</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>1310-73-2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tin chloride dihydrate</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>L0025-69-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Apparatus/Materials</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reduction adapter</td>
			<td>Bartelt</td>
			<td>9.011 755</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adapter with NS stopcock</td>
			<td>Bartelt</td>
			<td>9.012 312</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agate mortar and pestle</td>
			<td>Bartelt</td>
			<td>6204102</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Caliper&#160;</td>
			<td>Sartorius</td>
			<td>5007021150</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon tape&#160;</td>
			<td>Micro to Nano</td>
			<td>15-000508</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge tubes x 4&#160;</td>
			<td>Sarstedt Ges.m.b.H.</td>
			<td>62.547.254</td>
			<td>50 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Condenser</td>
			<td>Bartelt</td>
			<td>6.203 028</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Crystallising dishes</td>
			<td>Bartelt</td>
			<td>7.021 089</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Graphite foil</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>11326967</td>
			<td>0.254 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Measuring cylinder&#160;</td>
			<td>Bartelt</td>
			<td>6.082 194</td>
			<td>250 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micropipette&#160;</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>3123000063</td>
			<td>Research plus 100-1000&#181;L (GLP)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Quartz tube&#160;</td>
			<td>Hansun Electric Technology Co. Ltd</td>
			<td>50ODx 44 ID x 650 L, mm for DIY Tube Furnace</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Round-bottom flask 2-neck&#160;</td>
			<td>Bartelt</td>
			<td>4.008 387</td>
			<td>500 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Round-bottom flask 3-neck&#160;</td>
			<td>Lactan</td>
			<td>E614.1</td>
			<td>1000 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rubber septum x 3&#160;</td>
			<td>Bartelt</td>
			<td>9.230 657</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sand paper</td>
			<td>RS Components OC</td>
			<td>484-5942</td>
			<td>1 sheet, 1200 grit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Schlenk line</td>
			<td>Chemglass</td>
			<td>CG-4436-03</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Separating funnel&#160;</td>
			<td>Bartelt</td>
			<td>9.203 325</td>
			<td>250 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stir bars, oval</td>
			<td>Bartelt</td>
			<td>9.197 592</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stir bars, cylindrical</td>
			<td>Bartelt</td>
			<td>9.197 520</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stir bars, octagonal</td>
			<td>VWR</td>
			<td>442-0345</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Succintillation vials x&#160; 4&#160;</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Z561754-1EA</td>
			<td>20 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Succintillation vials x&#160; 1</td>
			<td>Bartelt</td>
			<td>9.003 482</td>
			<td>4 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Equipment</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AGUS-Pecs Spark Plasma Sintering (SPS)</td>
			<td>Suga CO., LTD.</td>
			<td>AGUS-PECS</td>
			<td>SPS-210Sx</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bruker D8 Advance X-ray Diffraction&#160;</td>
			<td>Bruker</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge</td>
			<td>Eppendorf</td>
			<td>Centrifuge 5810</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cold press</td>
			<td>Specac&#8482;&#160;</td>
			<td>Atlas Manual 15T Hydraulic Press</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Density Meter</td>
			<td>Bartelt</td>
			<td>6263396</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electric saw&#160;</td>
			<td>Amazon</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FE-SEM Merlin VP Contact</td>
			<td>Carl Zeiss&#160;</td>
			<td>Merlin Compact VP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heating mantle 1000 mL&#160;</td>
			<td>Bartelt</td>
			<td>9.642 406</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Benchtop Temperature Controller</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>Digi-Sense TC9600</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linseis Laser Flash Analyser- LFA-1000</td>
			<td>Linseis</td>
			<td>LFA-1000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linseis LSR-3</td>
			<td>Linseis</td>
			<td>LSR-3/800</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stirrer&#160;</td>
			<td>Heidolph</td>
			<td>MR Hei-Tec</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tubular furnace&#160;</td>
			<td>Hansun Electric Technology Co. Ltd</td>
			<td>Compact split tube furnace</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Software</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DIFFRAC.COMMANDER</td>
			<td>Bruker</td>
			<td></td>
			<td>Comes with the equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser Flash Lenseis-AproSoft v.3.01 c.001</td>
			<td>Lenseis</td>
			<td></td>
			<td>Comes with the equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laserflash</td>
			<td>Lenseis</td>
			<td></td>
			<td>Comes with the equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lenseis data evaluation</td>
			<td>Lenseis</td>
			<td></td>
			<td>Comes with the equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LSR Measure</td>
			<td>Lenseis</td>
			<td></td>
			<td>Comes with the equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LSRDistance</td>
			<td>Lenseis</td>
			<td></td>
			<td>Comes with the equipment</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>WAVE LOGGER</td>
			<td>Suga CO., LTD.</td>
			<td></td>
			<td>Comes with the equipment</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

solution&#45;processed, surface&#45;engineered, polycrystalline cdse&#45;snse exhibiting low thermal conductivity

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.

Thermoelectric (TE) materials, which convert heat into electricity and vice versa, can play an important role in sustainable energy management1. However, the low conversion efficiencies combined with the relatively high production costs of these materials have limited their broad application for industrial and domestic use. To overcome present challenges, cost-effective synthetic methods and the use of abundant and non-toxic materials with significantly improved efficiency must be implemented.
The thermoelectric figure of merit zT= S2&#963;T/&#954;, where S is the Seebeck coefficient, &#963; the electrical conductivity, T the absolute temperature, and &#954; the thermal conductivity, determines the efficiency of these materials. Due to the strong coupling of these properties, maximizing zT is a challenge. It often entails tuning the electronic band structure and microstructural defects to control charge and phonon scattering mechanisms2,3,4,5.
In the last decade, tin selenide (SnSe) has been explored as a non-toxic thermoelectric material due to its outstanding performance in its single crystal form (zT: p-type ~2.6, n-type ~2.8)6,7. However, single crystals are expensive to produce, limiting their applicability to devices. Alternatively, polycrystalline SnSe is cheaper to produce and mechanically more stable. The problem is that attaining high performance presents difficulties due to partial loss of anisotropy, diminishing electrical conductivity, greater ease of oxidation, and imprecise control of the doping level8,9,10.
Polycrystalline inorganic TE materials are usually processed in two steps: preparation of the semiconductor in powder form followed by consolidation of the powder into a dense pellet. Powders can be prepared through high-temperature reactions and grinding or directly by ball-milling11,12,13,14,15,16. Alternatively, powders can be synthesized via solution methods (e.g., hydrothermal, solvothermal, aqueous synthesis), requiring less demanding conditions (i.e., lower reagent purity, lower temperatures, and shorter reaction times)17,18,19,20,21.
This paper describes a method to produce dense SnSe nanocomposites from surface-modified SnSe particles that are synthesized in water. The process commences from the aqueous synthesis of SnSe particles, where reducing agents and bases are used to solubilize the Se and Sn reagents, respectively. When the solutions are combined, SnSe particles immediately start precipitating. After purification, SnSe particles are then functionalized with CdSe molecular complexes. During the annealing process, the molecular complexes decompose; forming CdSe nanoparticles19. The presence of CdSe nanoparticles inhibits grain growth and promotes the formation of many defects at varying length scales. These scattering sources result in low thermal conductivity and a high thermoelectric figure of merit22.

Yazar Spotlight: İşlenmiş Termoelektrik Malzemeler Olarak Nanokompozitleri Kullanarak Enerji Çözümlerini Geliştirme

Çözelti işlenmiş, yüzey mühendisliği, düşük ısı iletkenliği sergileyen polikristal CdSe-SnSe

Our group focused on developing materials for energy-related applications, emphasizing energy storage and thermal electricity. We used nano crystals as building blocks, or precursors for constructing the microscopic materials. And we investigate the transformation the nano crystals undergo into whole solids, aiming to enhance performance, and by understanding and controlling the properties derived from the nanoscale features.In particular, for thermal electric materials, we focused on defect control. Developing thermoelectric materials via solution processing involves numerous challenges. One, mitigating oxidation due to the nanoparticles'high surface to volume ratio.Reproducibility, due to the complexity of the process. And three, dealing with volatile species to ensure stability. Addressing and understanding these challenges is crucial for enhancing thermal electric materials efficiency for practical applications.Our research advanced cost-effective solution-processed thermal electric materials, by fine-tuning nanoparticle properties and their organization. We are uncovering the chemistry involved in the whole process, from the nanoparticle synthesis to the final consolidation. And currently, we are focused on how surface species or affect materials microstructure, and hence their performance.We enhanced thermoelectric performance through the utilizing solution process surface engineered particles, significantly reducing the thermal conductivity by micro structural tuning and the introduction of defects. This approach also is advantageous, because it uses inexpensive precursors, low temperatures, and also, we use water as a solvent. We found that certain molecules absorb at the particle surface and restrict grain growth.Now, we are trying to rationalize how different surface species affect microstructure and hence transport properties, based on their composition, chemical instability, and bonding nature.

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).
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66278/66278fig05.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66278/66278fig05large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66278/66278fig06.jpg"> Şekil 6: SnSe'nin saflaştırılmasında her yıkama adımından sonra süpernatanlar. Farklı yıkama adımlarının yedi süpernatantının renkleri. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66278/66278fig06large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66278/66278fig07.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66278/66278fig07large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66278/66278fig08.jpg"> 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. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66278/66278fig08large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
Ek Şekil S1: Kalıp özellikleri ve boyutları. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66278/Figure%20S1.pdf" target="_blank">Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
Ek Şekil S2: SnSe numunelerini presleme talimatlarına göre kesmek için kullanılan adaptörler. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66278/Figure%20S2.pdf" target="_blank">Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
Ek Şekil S3: SnSe ve CdSe-SnSe numuneleri için yoğunluk ölçüm kurulumu. (A) hava ve (B) su cinsinden ölçülen pelet kütlesi. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66278/Figure%20S3.pdf" target="_blank">Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.</a>
Ek Tablo S1: Kalıp özellikleri ve spesifikasyonları. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66278/Table%20S1.xlsx" target="_blank">Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.</a>

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.

In recent years, solution processes have gained considerable traction as a cost-effective and scalable method to produce high-performance thermoelectric ...

Grubumuz, enerji depolama ve termal elektriği vurgulayarak enerji ile ilgili uygulamalar için malzemeler geliştirmeye odaklandı. Mikroskobik malzemeleri oluşturmak için yapı taşları veya öncüler olarak nano kristaller kullandık. Ve nano kristallerin tam katılara geçirdiği dönüşümü araştırıyoruz, performansı artırmayı amaçlıyoruz ve nano ölçekli özelliklerden türetilen özellikleri anlayıp kontrol ediyoruz.Özellikle, termal elektrik malzemeleri için kusur kontrolüne odaklandık. Çözelti işleme yoluyla termoelektrik malzemelerin geliştirilmesi çok sayıda zorluk içerir. Birincisi, nanopartiküllerin yüksek yüzey / hacim oranı nedeniyle oksidasyonu azaltmak.Sürecin karmaşıklığı nedeniyle tekrarlanabilirlik. Ve üçüncüsü, istikrarı sağlamak için uçucu türlerle uğraşmak. Bu zorlukların ele alınması ve anlaşılması, pratik uygulamalar için termal elektrik malzemelerinin verimliliğini artırmak için çok önemlidir.Araştırmamız, nanopartikül özelliklerine ve bunların organizasyonuna ince ayar yaparak uygun maliyetli, çözümle işlenmiş termal elektrik malzemelerini geliştirdi. Nanopartikül sentezinden nihai konsolidasyona kadar tüm süreçte yer alan kimyayı ortaya çıkarıyoruz. Ve şu anda, yüzey türlerinin veya malzemelerin mikro yapısını nasıl etkilediğine ve dolayısıyla performanslarına odaklanıyoruz.Çözelti prosesi yüzey mühendisliği parçacıklarını kullanarak termoelektrik performansı artırdık, mikro yapısal ayarlama ve kusurların ortaya çıkmasıyla termal iletkenliği önemli ölçüde azalttık. Bu yaklaşım aynı zamanda avantajlıdır, çünkü ucuz öncüler, düşük sıcaklıklar kullanır ve ayrıca suyu bir çözücü olarak kullanırız. Bazı moleküllerin parçacık yüzeyinde emdiğini ve tane büyümesini kısıtladığını bulduk.Şimdi, farklı yüzey türlerinin bileşimlerine, kimyasal kararsızlıklarına ve bağlanma doğasına dayalı olarak mikro yapıyı ve dolayısıyla taşıma özelliklerini nasıl etkilediğini rasyonelleştirmeye çalışıyoruz.

solution-processed-surface-engineered-polycrystalline-cdse-snse

Research

JoVE Journal

Chemistry

Solution&#45;Processed, Surface&#45;Engineered, Polycrystalline CdSe&#45;SnSe Exhibiting Low Thermal Conductivity

747 Görüntüleme.  Institute of Science and Technology Austria (ISTA). Grubumuz, enerji depolama ve termal elektriği vurgulayarak enerji ile ilgili uygulamalar için malzemeler geliştirmeye odaklandı. Mikroskobik malzemeleri oluşturmak için yapı taşları veya öncüler olarak nano kristaller kullandık. Ve nano kristallerin tam katılara geçirdiği dönüşümü araştırıyoruz, performansı artırmayı amaçlıyoruz ve nano ölçekli özelliklerden türetilen özellikleri anlayıp kontrol ediyoruz.Özellikle, termal elektrik malzemeleri için ku...