G.Rogl等人：ZT = 1.8的摻銦多重填充的n型方鈷礦
【引言】
方鈷礦常含少量鐵和鎳。等軸晶系。晶體呈立方體、八面體或二者的聚形。集合體常呈致密粒狀。錫白色。條痕灰黑色。金屬光澤。產(chǎn)于鈷鎳熱液礦床中，與砷鈷礦、砷鎳礦、紅鎳礦等鈷鎳砷化物共生。在地表易氧化而形成鈷華，是煉鈷的重要礦物原料。ZT值，又叫熱電優(yōu)值，它是衡量熱電材料熱電性能的指標(biāo)和量度，Z是材料的熱電系數(shù)（單位是/k），有量綱，T是熱力學(xué)溫度，單位是k。ZT乘積來表示熱電性能的高低，ZT值越高，熱電性能越好。
【成果介紹】
G.Rogl等人認(rèn)為通過三種不同的途徑，將n型方鈷礦(In，Sr，Ba，Yb)yCo4Sb12的熱電（TE）優(yōu)值ZTzui-大化：（i）找到銦作為第四填充物的*分?jǐn)?shù)；（ii）考察粉末顆粒、晶粒和晶粒尺寸對TE性能的影響；（iii）檢查熱穩(wěn)定性。填充的n型(Sr，Ba，Yb)yCo4Sb12以三種不同比例與0.4Co4Sb12混合，球磨（常規(guī)或高能（HB）球磨）和熱壓。熱擠壓樣品斷口的粒度分析和SEM照片表明，只有HB產(chǎn)生均勻的顆粒/晶粒，平均晶粒尺寸為100納米，用透射電子顯微鏡證實。X射線Rietveld細(xì)化結(jié)合EDX表明，在所有情況下，銦進(jìn)入方二十面體的方鈷礦空隙。三個規(guī)則球磨樣品（采用德國的linseis的LSR-3測量系統(tǒng)測定樣品In9.1HB）的溫度依賴性物理性質(zhì)表明，增加的含量推斷出增加的電阻率，增加了塞貝克系數(shù)，但降低了總的熱導(dǎo)率。雖然ZT（823 K）與沒有銦的樣品在相同的范圍內(nèi)，但在ZT值較高，因此TE轉(zhuǎn)換效率η至少高10%。將樣品在600℃退火三天，顯示出在結(jié)構(gòu)和熱電性能的微小變化，表明TE穩(wěn)定性。由于小顆粒均勻，同樣大小的顆粒和微晶，HB樣品表現(xiàn)出高功率因數(shù)（在730 K下為4.4 mW/mK-2）和非常低的熱導(dǎo)率，在823 K（ηmax＝17.5%）下獲得重要的高值ZT＝1.8。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1a：(Sr，Ba，Yb，In)yCo4Sb12方鈷礦的分布密度與粒度關(guān)系，針對樣品In9.1和In9.1HB示例性示出。
圖1b：(Sr，Ba，Yb，In)yCo4Sb12方鈷礦的分布與粒度關(guān)系，針對樣品In9.1和In9.1HB示例性示出。
圖2：In9.1HB， In9.1和In9.1ann樣品斷裂表面的SEM圖像（從上到下）。
圖3a：(Sr，Ba，Yb，In)yCo4Sb12的晶格參數(shù)a取決于填充水平yRV。
插入：比較(Sr，Ba，Yb)yCo4Sb12 [70，71，78]和(Sr，Ba，Yb，In)yCo4Sb12的晶格參數(shù)a與填充水平yRV關(guān)系。
圖3b：(Sr， Ba， Yb，In)yCo4Sb12的晶格參數(shù)（頂部）和總填充水平（底部）依賴于添加In0.4Co4Sb12的質(zhì)量百分比。
插入：添加In0.4Co4Sb12的質(zhì)量百分比與填充水平yRV的關(guān)系（虛線顯示出偏離Vegard定律的可能），圓環(huán)代表In0.24Co4Sb12 [2，24]。
圖4：樣品：In9.1HB（頂部），In9.1（中間）和In9.1（底部）。
樣品TEM圖像：左圖：亮場，左平面的插圖：相應(yīng)的電子衍射圖樣；中間圖：放大的亮場；右圖：晶格圖像。箭頭指向YB2O3納米粒子。
圖：(Sr，Ba，Yb)yCo4Sb12 + x wt.%方鈷礦的電阻率ρ與溫度T(T > 300 K) 的關(guān)系。
圖5b：樣品 In0的電阻率ρ與溫度T(T > 4.2 K) 的關(guān)系和In9.1HB的電阻率擬合。插入：In9.1HB的ULVAC-ZEM3數(shù)據(jù)與LSR-3數(shù)據(jù)的比較。
圖6：(Sr，Ba，Yb)yCo4Sb12 + x wt.% In0.4Co4Sb12的賽貝克系數(shù)S與溫度T的關(guān)系。
插入圖：In9.1HB的ULVAC-ZEM3數(shù)據(jù)與LSR-3數(shù)據(jù)的比較。
圖7：(Sr，Ba，Yb)yCo4Sb12 + x wt.% In0.4Co4Sb12的功率因素pf與溫度T的關(guān)系。
圖8a：(Sr，Ba，Yb)yCo4Sb12 + x wt.% In0.4Co4Sb12的勞倫茲數(shù)與溫度T的關(guān)系。
插入圖：(Sr，Ba，Yb)yCo4Sb12 + x wt.% In0.4Co4Sb12的導(dǎo)熱系數(shù)的溫度與λe的關(guān)系。
圖8b：(Sr，Ba，Yb)yCo4Sb12 + x wt.% In0.4Co4Sb12的總熱導(dǎo)率λ、晶格熱導(dǎo)率λph和zui小熱導(dǎo)率λmin與溫度T的關(guān)系。
圖9：(Sr，Ba，Yb)yCo4Sb12 + x wt.% In0.4Co4Sb12的熱電（TE）優(yōu)值ZT與溫度T的關(guān)系。
圖10：右：溫度為300-823 K下，從頂部到底部：每個樣品的電阻率的平均值ρav，賽貝克系數(shù)的jue對值| S |av，功率因素pfav，晶格熱導(dǎo)率λav ，熱電優(yōu)值ZT和ZTzui大值ZTmax。左：In9.1的所有的平均運輸性質(zhì)和退火后（In9.1ann）高能球磨在In9.1HB中的應(yīng)用比較。
近年來人們致力于直接將多余的熱能轉(zhuǎn)化為電能。如果我們能夠?qū)㈠仩t和引擎產(chǎn)生的多余的熱轉(zhuǎn)化為電能，這將會省下每年千億的燃料費用。文中提到的用來研究方鈷材料性能所使用的的研究儀器LSR-3就是林賽斯為了挑戰(zhàn)這一難題所開發(fā)的一款*的評估系統(tǒng)儀器—LSR-3“林賽斯-賽貝克&電阻測試單元”。
林賽斯LSR-3的*性能
1、可以同步測量賽貝克系數(shù)和電阻（通過哈曼法可測定熱電阻和ZT值）
2、可以測量長度在6到23mm間的棱柱或圓柱樣品（哈曼法要求圓柱樣品）
3、線狀或箔片樣品可以通過特殊的適配器測量
4、更換不同的爐體可以覆蓋-100℃到1500℃的溫度范圍。
5、樣品支架設(shè)計保證zui 高的測量重復(fù)性
三種可更換的爐體覆蓋-100℃到1500℃的溫度范圍。額外的紅外爐保證很高的加熱和冷卻速率，并能使溫度控制準(zhǔn)確的按照程序設(shè)定運行。
如果您對林賽斯熱分析儀器感興趣，咨詢。也可以關(guān)注公眾號“德國林賽斯儀器”，了解更多的材料性能以及熱分析動態(tài)。