Investigation of the thermoelectric transport properties of substituted Ru2TiSi-based full-Heusler compounds

Abstract

Diese Masterarbeit untersucht die thermoelektrischen Transporteigenschaften von Full-Heusler (fH) Verbindungen auf Basis von Ru2TiSi. Diese thermoelektrischen Materialien ermöglichen die Umwandlung von Abwärme in Elektrizität. Ihre Effizienz in diesem Prozess wird durch die dimensionslose Gütezahl zT bestimmt. Daher sind Materialien mit hohen zT-Werten sehr gefragt. Diese fH-Systeme zeichnen sich durch überlegene mechanische Robustheit sowie hohe thermodynamische und chemische Stabilität aus, welche wesentliche Aspekte für die Konstruktion langlebiger thermoelektrischer Module sind. Darüber hinaus sinkt durch die Einführung einer Hf-Dotierung auf dem Ti-Gitterplatz ihre Wärmeleitfähigkeit drastisch, was zu einem zT-Wert von ~0.7 im Temperaturbereich von 700-1000K für die Zusammensetzung Ru2Ti0.8Hf0.2Si führt, was den bisher höchsten für fH-Systeme berichteten Wert darstellt. In dieser Arbeit wurden mehrere Probenreihen in einem zweistufigen Verfahren synthetisiert, um maximale Homogenität durch Induktions- und Lichtbogenschmelzen zu erreichen, gefolgt von Spark Plasma Sintering zum Erzielen einer hohen Dichte und anschließendem Tempern zur Reduktion mechanischer Spannungen: Ru2Ti0.8Hf0.2Si1-xSnx mit x = 0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.1Ru2Ti0.8Hf0.2Si1-xGex mit x = 0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.1Ru2Ti1-xHfxSi mit x = 0.8, 1Ru2Ti0.2Hf0.8-xVxSi mit x = 0, 0.05, 0.1Ru2Hf0.8V0.2SiRu2TiSi1-xAlx mit x = 0.001, 0.003, 0.005 Die anschließende Strukturanalyse mittels Röntgendiffraktometrie und Rasterelektronenmikroskopie ergab eine erfolgreiche Kristallisation aller Proben in der L21 fH-Struktur mit nur geringfügigen Sekundärphasen. Die Sn-Dotierung erwies sich aufgrund der erheblichen Sn-Verdampfung während der Synthese als schwierig, was zu nicht-stöchiometrischen Proben führte. Transporteigenschaftsmessungen der Ge- und Sn-dotierten Serien zeigten eine Verbesserung gegenüber früheren Studien an diesem fH-System, was zu zT-Werten von bis zu 0.7-0.85 im breiten Hochtemperaturbereich von 750-1100K führte. Die verbesserte Leistung resultierte primär aus erhöhten Seebeck-Koeffizienten und einem geringeren spezifischen Widerstand. Abschließend wurden die Transporteigenschaften unter Verwendung eines parabolischen Zweibandmodells im Detail diskutiert.

This Masters thesis investigates the thermoelectric transport properties of Ru2TiSi-based Full-Heusler (fH) compounds. These thermoelectric materials facilitate the conversion of waste heat into electricity. Their efficiency in this process is determined by the dimensionless figure of merit zT. Therefore, materials with high zT values are highly sought-after. These fH systems are characterized by superior mechanical robustness as well as high thermodynamic and chemical stability, which are essential aspects for the construction of durable thermoelectric modules. Furthermore, with the introduction of Hf doping on the Ti site, their thermal conductivity decreases drastically, leading to a zT value of ~0.7 in the temperature range of 700-1000K for the composition Ru2Ti0.8Hf0.2Si, which is the highest value reported for fH systems to date. In this work, several sample series were synthesized using a two-step process to achieve maximum homogeneity via induction- and arc-melting, followed by spark plasma sintering to achieve high density and subsequent annealing to reduce mechanical stress: Ru2Ti0.8Hf0.2Si1-xSnx mit x = 0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.1Ru2Ti0.8Hf0.2Si1-xGex mit x = 0, 0.02, 0.04, 0.06, 0.08, 0.1Ru2Ti1-xHfxSi mit x = 0.8, 1Ru2Ti0.2Hf0.8-xVxSi mit x = 0, 0.05, 0.1Ru2Hf0.8V0.2SiRu2TiSi1-xAlx mit x = 0.001, 0.003, 0.005 Subsequent structural analysis using X-ray diffraction and scanning electron microscopy revealed successful crystallization of all samples in the L21 fH structure with only minor secondary phases. Sn doping proved challenging due to significant Sn evaporation during synthesis, leading to off-stoichiometric samples. Transport property measurements of the Ge- and Sn-doped series revealed an improvement over previous studies on this fH system, resulting in zT values of up to 0.7-0.85 in the broad high-temperature region of 750-1100K. The enhanced performance resulted primarily from increased Seebeck coefficients and lower resistivity. Finally, the transport properties were discussed in detail using a parabolic two-band model.