Thermoelectric properties of novel Cu3Au-structure-type intermetallic systems

Abstract

In dieser Diplomarbeit werden die thermoelektrischen Eigenschaften neuartiger intermetallischer Systeme mit Cu3Au-Struktur untersucht, um die verbesserte thermoelektrische Leistungsfähige von metallischen Systemen aufgrund der s-d- Streuung von Leitungselektronen an schmalen Strukturen in der elektronischen Zustandsdichte nahe der Fermi-Energie zu demonstrieren. Solche schmalen Strukturen entstehen durch ungefüllte d-Schalen (z. B. Ni-3d-Zustände) von Übergangsmetallelementen. Durch die Kombination von beweglichen s-Elektronen und unbeweglichen d-Elektronen können hohe Seebeck-Koeffizienten erreicht werden. Dadurch ergibt sich eine drastisch verbesserte thermoelektrische Leistungsfähigkeit. Darüber hinaus weisen intermetallische Verbindungen im Vergleich zu klassischen Thermoelektrika wie Bi2Te3 im Allgemeinen viel bessere mechanische Eigenschaften sowie Stabilität auf. In dieser Diplomarbeit wurden die folgenden intermetallischen Verbindungen charakterisiert:• Ni3.05SbxSi0.95–x• Ni3.05–xCuxSi0.95• Ni3–xCuxGe• Ni3–xCuxAl• Pd3Sn0.95In0.05• Pt3Sn0.95Sb0.05• Ni2.95Ag0.05Ge. Die Proben, mit jeweils 2,5 g, wurden durch Induktionsschmelzen hergestellt und anschließend sieben Tage bei 973 K getempert, um eine homogene Materialzusammensetzung sicherzustellen. Die Kristallstruktur und Gitterparameter wurden mittels Röntgendiffraktion analysiert und bestimmt, einschließlich der Menge von möglichen Verunreinigungsphasen. Zusätzlich wurden der temperaturabhängige elektrische Widerstand ρ(T) sowie der Seebeck-Koeffizient S(T) im Temperaturbereich von 4 K bis 873 K gemessen, um den temperaturabhängigen Powerfaktor PF(T) = S^2(T)/ρ(T) zu bestimmen. Unter den untersuchten Legierungen zeigte sich Ni2.9Cu0.1Ge als die vielversprechendste, da sie eine vollständige Löslichkeit, eine homogene Cu3Au-Kristallstruktur und einen außergewöhnlich hohen Powerfaktor von PF = 8.5 mW/(m · K^2) bei Raumtemperatur aufwies. Direkt dahinter folgt Ni2.95Cu0.05Ge mit einem Powerfaktor von PF = 8.3 mW/(m · K^2). Das etablierte thermoelektrische Material Bi2Te3 erreicht bei Raumtemperatur lediglich einen Powerfaktor von PF = 4 mW/(m·K^2). Damit übertrifft Ni2.9Cu0.1Ge diesen Wert um ≈ 50% und positioniert es als äußerst vielversprechenden Kandidaten für thermoelektrische Anwendungen und unterstreicht das erhebliche Potenzial für die kommerzielle Nutzung.

This diploma thesis investigates thermoelectric properties of novel Cu3Au-structure-type intermetallic compounds and alloys, to demonstrate the enhanced thermoelectric performance of metallic systems due to s-d scattering of conduction electrons on narrow features in the electronic density of states near to the Fermi energy. Such narrow features originate from unfilled d-shells (e.g. Ni-3d states) of transition metal elements. High Seebeck coefficients can be achieved by combining mobile s-electrons and immobile d-electrons. Thus, a dramatically enhanced thermoelectric performance results. Besides, intermetallics generally exhibit much better mechanical properties and stability, when compared to classical thermoelectrics like Bi2Te3. In this diploma thesis, the following intermetallics have been characterized:• Ni3.05SbxSi0.95–x• Ni3.05–xCuxSi0.95• Ni3–xCuxGe• Ni3–xCuxAl• Pd3Sn0.95In0.05• Pt3Sn0.95Sb0.05• Ni2.95Ag0.05Ge. Ingots of about 2.5 g were prepared by induction melting and annealed for sevendays at 973 K to achieve homogeneous samples. The crystal structure and lattice parameters were examined and confirmed using X-ray diffraction, which was also applied to check the amount of impurity phases. The temperature-dependent resistivity, ρ(T), and Seebeck coefficient, S(T), were measured across a wide temperature range from 4 K to 873 K, enabling the calculation of the temperature-dependent power factor, PF(T) = S^2(T)/ρ(T). The alloy Ni2.9Cu0.1Ge emerged as the most promising material, exhibiting complete solubility from x = 0.0 to x = 0.1, the Cu3Au crystal structure, and an exceptionally high power factor of PF = 8.5 mW/(m · K^2) at room temperature. This result was closely followed by Ni2.95Cu0.05Ge, with PF = 8.3 mW/(m · K^2). When compared to the widely studied thermoelectric material Bi2Te3, which has a room-temperature power factor of PF ≈ 4 mW/(m · K^2), Ni2.9Cu0.1Ge exhibits an almost ≈ 50% higher power factor.