Enhanced Thermoelectric and Mechanical Properties of BaO-Doped BiCuSeOδ Ceramics

材料科学 放电等离子烧结 陶瓷 热电效应 掺杂剂 热导率 声子散射 兴奋剂 电阻率和电导率 复合材料 纳米压痕 热电材料 光电子学 热力学 电气工程 工程类 物理
作者
Tianyu Yang,Lulu Huang,Guo Jun,Yixin Zhang,Jing Feng,Zhen‐Hua Ge
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:4 (11): 13077-13084 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsaem.1c02720
摘要

Layered BiCuSeOδ ceramics with earth-abundant and non-toxic elements can invariably be prospective thermoelectric (TE) materials attributed to their ultralow thermal conductivity with controllable electrical transport properties. In this study, BaO was used as the dopant of p-type to improve the TE properties of BiCuSeOδ ceramics prepared through solid-state reactions integrated with the technique of spark plasma sintering. The effects of Ba doping on the thermoelectric and mechanical properties of BiCuSeOδ ceramics were studied at great length. The result shows that the electrical conductivity was optimized to a value of 241 S cm–1 for the Bi0.825Ba0.175CuSeOδ sample due to the Ba2+-ion substitution on Bi3+ sites and the introduction of extra holes. The power factor of the Bi0.825Ba0.175CuSeOδ sample was highly enhanced to 765 μWm–1 K–2 at 323 K owing to its notably increased electrical conductivity. Simultaneously, the lattice thermal conductivity of the Bi0.825Ba0.175CuSeOδ sample decreased from 0.64 Wm–1 K–1 at 323 K to 0.41 Wm–1 K–1 at 873 K, which is ascribed to enhanced phonon scattering through the point defects and a secondary phase. Accordingly, a maximum ZT value of 0.85 was achieved for the Bi0.825Ba0.175CuSeOδ sample at 873 K, which is approximately 3 times higher than that obtained for the undoped BiCuSeOδ ceramic. The hardness of the BiCuSeOδ ceramics was measured for the first time by using the nanoindentation method.
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