Cold-Sintered Bi2Te3-Based Materials for Engineering Nanograined Thermoelectrics

材料科学 烧结 放电等离子烧结 热电材料 热电效应 声子散射 晶粒生长 粒度 热导率 冶金 复合材料 合金 热力学 物理
作者
Bo Zhu,Xiaolong Su,Shengcheng Shu,Yubo Luo,Xian Yi Tan,Jichang Sun,Du Sun,Hao Zhang,Qiang Zhang,Ady Suwardi,Yun Zheng
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (2): 2002-2010 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acsaem.1c03540
摘要

Bi2Te3-based compounds are currently the most commercially relevant thermoelectric materials near room temperature. They are prepared via hot pressing, hot deformation, spark plasma sintering, and other consolidation processes, which are typically performed at 400–500 °C. Such high-temperature processes are energy-intensive and generate unnecessary waste heat, making them undesirable for a large-scale production. In this study, a low-temperature liquid-phase-assisted sintering (or so-called cold-sintering) process was employed to fabricate p-type Bi0.5Sb1.5Te3 bulk materials at temperatures below 150 °C. At the optimal sintering temperature (130 °C), a ZT value as high as 0.56 at 450 K can be achieved, competitive to that of a commercial Bi0.5Sb1.5Te3 ingot (ZT 0.8–1.0). The addition of a small amount of transient liquid facilitates grain reorientation and expedites a mass transfer process under axial compaction and liquid evaporation conditions, thus resulting in nearly fully densified Bi0.5Sb1.5Te3 pellet samples (>97% theoretical density). Furthermore, the low-temperature sintering process results in the reduction of grain size and promotes twin boundaries, resulting in a low lattice thermal conductivity of 0.57 W m–1 K–1 at 380 K due to phonon scattering. The strategy reported in this work can be used not only as a substitute for high-temperature sintering of other thermoelectric materials but also to engineer phonon scattering for high-performance thermoelectrics.
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