Thermoelectric properties of novel clathrates Ba8 TxT'y Ge 46-x-y (T=Cu,Si,Pd; T'=Zn) and Ba 8AgzGe46-z] (z=2, 3, 4, 5)

Abstract

In der vorliegenden Diplomarbeit wurden die thermoelektrischen Eigenschaften von auf Ba-Ge-basierenden kubischen Clathrate des Typs I untersucht. Ge wurde in Ba 8 [Ba tief 8]Ge 43 [Ge tief 43]V' 3 [V' tief 3] (V' bedeutet eine Lücke im Kristallgitter) durch Ag: Ba 8 [Ba tief 8]Ag x [Ag tief x]Ge 46-x [Ge tief 46-x], x=2, 3, 4, 5; sowie jeweils durch die beiden Elemente Pd und Zn: Ba 8 [Ba tief 8]Pd x [Pd tief x]Zn y [Zn tief y]Ge 46-x-y [Ge tief 46-x-y]; Cu und Zn: Ba 8 [Ba tief 8]Cu x [Cu tief x] Zn y [Zn tief y] Ge 46-x-y [Ge tief 46-x-y]; und Si and Zn: Ba 8 [Ba tief 8]Si x [Si tief x] Zn y [Zn tief y] Ge 46-x-y [Ge tief 46-x-y] ersetzt. Die Herstellung dieser Materialien sowie die Strukturuntersuchungen erfolgten am Institut für Physikalische Chemie der Universität Wien durch Navida Nasir und Isolde Zeiringer. Die Strukturuntersuchungen aller Zusammensetzungen ergaben eine einfache kubische Struktur mit der Raumgruppe Pm-3n, welche für Typ I Clathrate charakteristisch ist. Die Gitterparameter variieren von ca. 1.05 nm bis ca. 1.08 nm. Die thermoelektrischen Eigenschaften (elektrischer Widerstand, thermische Leitfähigkeit und Seebeck Koeffizient) wurden über einen weiten Temperaturbereich (von 4.2 bis 800 K) gemessen. Die Ergebnisse belegen, dass Substituierung von Ge eine Feinabstimmung der Ladungsträgerdichte und damit eine Verschiebung der Materialeigenschaften in die Nähe eines Metall-Isolator Überganges erlaubt.<br />Offensichtlich wird diese Grenze für Ba 8 [Ba tief 8]Cu 5.2 [Cu tief 5.2]Zn 0.8 [Zn tief 0.8]Ge 40.0 [Ge tief 40.0] erreicht, sodass sie einen außerordentlich großen Seebeck-Koeffizienten von etwa 400 [my]V/K bei einer Temperatur von ca. 150 K aufweist.<br />

In the present diploma thesis the thermoelectric properties of cubic type I Ba-Ge-based clathrates are studied, where Ge in Ba 8 [Ba tief 8]Ge 43 [Ge tief 43]V' 3 [V' tief 3] (V' is a vacancy) is substituted by Ag: Ba 8 [Ba tief 8]Ag x [Ag tief x]Ge 46-x [Ge tief 46-x], x=2, 3, 4, 5; Pd & Zn: Ba 8 [Ba tief 8]Pd x [Pd tief x]Zn y [Zn tief y]Ge 46-x-y [Ge tief 46-x-y]; Cu & Zn: Ba 8 [Ba tief 8]Cu x [Cu tief x] Zn y [Zn tief y] Ge 46-x-y [Ge tief 46-x-y]; Si & Zn: Ba 8 [Ba tief 8]Si x [Si tief x] Zn y [Zn tief y] Ge 46-x-y [Ge tief 46-x-y].<br />The synthesis of these materials as well as the structural investigations were conducted by Navida Nasir and Isolde Zeiringer at the Institute of Physical Chemistry, University of Vienna. The structural investigations in all cases confirmed cubic primitive symmetry consistent with the space group type Pm-3n of a typical type I clathrate structure with lattice parameters ranging from about 1.05 nm to about 1.08 nm.<br />Thermoelectric properties (electrical resistivity, thermal conductivity and Seebeck coefficient) were measured in a broad temperature range from 4.2 to about 800 K, demonstrating that substitution allows fine tuning of the charge carrier density, shifting the materials into the proximity of a metal-to-insulator transition. This is evidenced from giant thermopower reaching values of about 400 [my]V/K in the case of Ba 8 [Ba tief 8]Cu 5.2 [Cu tief 5.2]Zn 0.8 [Zn tief 0.8]Ge 40.0 [Ge tief 40.0] at temperatures well below room temperature (T about 150 K).