Ultra

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10045 (2022) Citare questo articolo

1761 Accessi

4 citazioni

2 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Composti altamente cristallini a base di Bi2Te3 con granulometria piccola sono stati sintetizzati con successo mediante il metodo di sinterizzazione flash (FS) in 10 secondi a temperatura ambiente con un'adeguata densità di corrente utilizzando polveri di Bi, Te e Se. Il calore Joule locale generato istantaneamente al bordo del grano è considerato la ragione principale del rapido completamento della reazione chimica e della cristallizzazione. Combinando il metodo di sintesi FS con la sinterizzazione al plasma a scintilla (SPS), sono stati fabbricati materiali sfusi a base di Bi2Te3 con elevata densità relativa in 10 minuti. Prolungare opportunamente la temperatura di sinterizzazione e il tempo di mantenimento nel processo SPS può diminuire la concentrazione del portatore e la conduttività termica dei fononi, aumentando al contempo la mobilità del portatore. Pertanto, il campione preparato a 753 K per 3 minuti mostra un valore ZT superiore del 20% rispetto a quello del campione preparato a 723 K per 3 minuti. Rispetto ai comuni metodi di fusione a zone o di metallurgia delle polveri che richiedono diverse ore per operazioni complesse, questo metodo consente di risparmiare tempo ed è a basso costo.

Con la crisi energetica e ambientale sempre più grave, l’esplorazione delle risorse energetiche pulite e delle tecnologie di conversione dell’energia verde diventano urgenti e obbligatori per i ricercatori nei settori correlati1. Il materiale termoelettrico è un tipo di materiale funzionale che può realizzare la conversione diretta tra calore ed elettricità mediante l'effetto Seebeck e l'effetto Peltier2. Grazie alla sua modalità di funzionamento allo stato solido puro, all'elevata stabilità e alla lunga durata, la tecnologia termoelettrica offre l'opportunità di raccogliere elettricità utile dal calore di scarto o di realizzare refrigerazione in situ3,4,5. La prestazione di conversione del materiale termoelettrico viene solitamente valutata mediante la cifra di merito adimensionale ZT, che può essere espressa come ZT = S2σT/κ, dove S è il coefficiente di Seebeck, σ è la conducibilità elettrica, κ è la conducibilità termica (compresi i componenti termici elettronici) conducibilità termica κe, conducibilità termica reticolare κl e conducibilità termica bipolare κb) e T è la temperatura assoluta6. Pertanto, per un materiale termoelettrico ideale, un'elevata conduttività elettrica, un ampio coefficiente di Seebeck e una bassa conduttività termica dovrebbero essere contemporaneamente posseduti. Il tellururo di bismuto (Bi2Te3) è un tipo di materiale semiconduttore con gap di banda stretto, che ha una conduttività elettrica relativamente elevata, un coefficiente di Seebeck elevato e una bassa conduttività termica compresa tra 300 e 500 K8. Fino ad ora, il tellururo di bismuto e le sue leghe con tellururo di antimonio o seleniuro di bismuto sono stati i sistemi di materiali termoelettrici più maturi da utilizzare a temperatura prossima alla temperatura ambiente9,10. Alcuni dispositivi e moduli termoelettrici commerciali per la generazione di energia e il raffreddamento a stato solido in questo intervallo di temperature sono stati sviluppati con successo basati sul tellururo di bismuto e sulle sue leghe11.

Al giorno d'oggi, i materiali termoelettrici commerciali a base di tellururo di bismuto sono generalmente prodotti mediante il metodo di fusione a zona (ZM). Sebbene la tecnica ZM sia conveniente, il suo processo di fabbricazione è piuttosto dispendioso in termini di tempo ed energia12. La ricottura prolungata ad alta temperatura può anche portare a deviazioni della composizione, deteriorando così le prestazioni termoelettriche. Inoltre, i prodotti fabbricati sono altamente orientati e possono fendersi facilmente lungo il piano basale, determinando così scarse proprietà meccaniche e limitando l'utilizzo a lungo termine13. Pertanto, le tecniche di metallurgia delle polveri combinate con tecniche avanzate di sinterizzazione sono state ampiamente esplorate negli ultimi anni per fabbricare materiali termoelettrici a base di tellururo di bismuto policristallino con elevate proprietà meccaniche e termoelettriche. Ad esempio, la macinazione a sfere ad alta energia, la filatura a fusione e vari metodi chimici a umido sono stati sviluppati con successo per sintetizzare composti a base di Bi2Te3 con granulometria piccola e microstruttura modulata14,15,16,17. Combinando questi metodi di sintesi con le tecniche di pressatura a caldo (HP) o di sinterizzazione al plasma a scintilla (SPS), sono state ottenute contemporaneamente proprietà meccaniche relativamente robuste e prestazioni termoelettriche elevate nei materiali sfusi a base di tellururo di bismuto. Tuttavia, questi metodi di sintesi richiedono ancora molto tempo ed energia, e i prodotti possono essere ossidati o inquinati da impurità medie e organiche nel processo di sintesi, con conseguente deterioramento delle prestazioni termoelettriche18. Pertanto, è di grande interesse sviluppare nuovi metodi di fabbricazione per materiali termoelettrici a base di tellururo di bismuto policristallino ad alte prestazioni con basso costo, alta efficienza e processo artigianale semplice.