Synthesis and Characterization of Bismuth Telluride-Based Nanostructured Thermoelectric Composite Materials

Thermoelectric (TE) materials and devices are attractive in solid-state energy conversion applications such as waste heat recovery, air-conditioning, and refrigeration. Since the 1950's lots of unremitting efforts have been made to enhance the efficiency of energy conversion in TE materials (i. e. improving the figure of merit (ZT)), however, most of commercial bulk TE materials still suffer from low efficiency with ZTs around unity. To enhance the performance of bismuth telluride based TE alloys, we have developed composite TE materials, based on the idea that introducing more engineered interfaces in the bulk TE materials may lead to thermal conductivity reduction due to increased phonon scattering by these interfaces. In this approach it is expected that the electronic transport properties of the material are not effectively affected. Consequently, ZT enhancement can be achieved. In this dissertation we will discuss synthesis and characterization of two types of bismuth telluride based bulk composite TE materials. The first type is engineered to contain the presence of coherent interfaces between phases in the material resulting from different mixtures of totally miscible compounds with similar composition. The second type includes the nanocomposites with embedded foreign nano-particles in which the matrix and the particles are delimited by incoherent interfaces. The synthesis procedure, micro- and nano-structures as well as thermoelectric properties of these composites will be presented. In our study on the composites with coherent interfaces, we produced a series of different composites of p-type bismuth antimony telluride alloys and studied their microstructure and thermoelectric properties. Each composite consists of two phases that were obtained in powder form by mechanical alloying. Mixed powders in various proportions of the two different phases were consolidated by hot extrusion to obtain each bulk composite. The minimum grain size of bulk composites as revealed by scanning electron microscopy shows a 50% reduction compared to the conventional (Bi0.2Sb0.8)2Te3 . XRD analysis indicates a systematic decrease of crystallite size in the composite materials. Scattering mechanisms of charge carriers were evaluated by Hall effect measurements. There is no evidence of carriers scattering linked to the composite nature in these materials. The composites show no significant degradation of the power factor and high peak ZT values ranging from 0.86 to 1.04. It was found, contrary to expectations that the thermal conductivity of the composites slightly increases compared to the conventional alloy.

Résumé

Les matériaux et dispositifs thermoélectriques (TE) sont intéressants pour les applications en conversion d'énergie tels la récupération de chaleur, la climatisation et la réfrigération. Depuis les années 50, plusieurs efforts ont été déployés pour améliorer l'efficacité des matériaux TE pour la conversion d'énergie (amélioration de la figure de mérite ZT). Malgré ces efforts, la plupart des matériaux TE atteignent au mieux une valeur de ZT de l'ordre de 1. Pour améliorer la performance des alliages TE à base de tellurure de bismuth, nous avons développé des matériaux TE composites à partir de l'hypothèse que par addition d'interfaces dans la structure du matériau TE, il soit possible de réduire la conductibilité thermique par la diffusion des phonons sur ces interfaces. En suivant cette approche, on suppose que les propriétés de transport électronique ne seront pas grandement affectées, menant ainsi à une augmentation de ZT. Dans cette thèse, nous discuterons des procédés d'élaboration et de la caractérisation de deux types de composites TE basés sur le tellurure de bismuth. Le premier type de composite est obtenu en créant des interfaces cohérentes entre différentes phases miscibles de compositions chimiques similaires. Le second type de nanocomposite est fabriqué par l'addition de nano-particules d'une espèce différente menant à la présence d'interfaces incohérentes entre les particules et la matrice. Les étapes des procédés, la caractérisation micro- et nanostructurale ainsi que les propriétés thermoélectriques seront présentées dans cette thèse. Dans l'étude des composites avec interfaces cohérentes, nous avons produit différents mélanges d'alliages de type p de tellurure de bismuth et d'antimoine pour évaluer leurs propriétés TE et leur microstructure. Chaque composite est constitué de deux phases qui sont élaborées à partir de poudres par mécanosynthèse. Le composite est obtenu en extrudant à chaud différentes proportions des deux phases de compositions différentes. La taille de grains minimale pour les composites, évaluée par microscopie électronique à balayage, montre une réduction de 50% par rapport à la taille de grains de l'alliage (Bi0.2Sb0.8)2Te3 élaboré par la méthode conventionnelle. L'analyse par diffraction des rayons x (XRD) indique une décroissance systématique de la taille des cristallites dans e composite. Les mécanismes de diffusion des porteurs de charges ont été caractérisés à partir de mesures de l'effet Hall. Nous n'avons pas observé d'évidence de diffusion des porteurs dans ces composites. Aucune décroissance significative du facteur de puissance n'a été observée et de hautes valeurs de la figure de mérite ZT ont été obtenues, entre 0.86 et 1.04.