Semiconducting Nanocrystals Based on PbTe as Promising Building Blocks for Thermoelectric Applications

Abstract

A simple one-pot colloidal chemical method was applied to the synthesis of lanthanum doped PbTe nanocrystal as a thermoelectric material by employing lanthanum (III) acetate hydrate as a La precursor. Synthesized La-doped PbTe nanocrystals were characterized by using HR‐TEM, PXRD, and ICP-AES analysis. We could verify the substitution of La into PbTe structure through change of lattice parameter and elemental analysis. The electrical conductivity of La doped sample was higher than that of pure PbTe. Thus figure of merit ZT was also higher than that of undoped sample. The maximum ZT value of 0.43 was achieved for 5% La-doped PbTe sample at 723 K, which is ~40 % higher than that of ~0.3 in undoped sample. This improvement in ZT attributed mainly to increased electrical transport properties and reduced thermal conductivity by the incorporation of Lanthanum into PbTe crystal lattice.;본 연구에서는 란타늄 (III) 아세테이트 하이드레이트를 란타늄의 전구체로 사용하여 간단한 콜로이드 화학 합성 반응을 통해 란타늄 원소를 일부 치환한 납 텔루라이드 나노 입자를 용액 상에서 합성하였다. 란타늄 원소를 도핑한 나노 입자는 TEM, PXRD, 그리고 ICP-AES 를 이용하여 분석하였다. Powder X-Ray Diffraction 패턴 분석 결과 란타늄을 도핑한 샘플에서 이차상이 발견되지 않았으며 Rietveld refinement 방법으로 분석한 격자 상수의 변화, 그리고 원소 분석 결과를 토대로 납 텔루라이드 격자 내 란타늄의 치환을 확인하였다. 이렇게 나노 단위로 란타늄 원소를 도입한 결과 723 K 에서 최대 ZT 값 0.43을 얻을 수 있었으며 순수한 PbTe 나노 열전 재료와 비교하였을 때 약 40 % 가량 향상된 열전 특성을 가진다. 이는 치환된 란타늄이 납 텔루라이드 격자 내에 효과적인 전자 주개 역할을 하여 향상한 전기 특성과, 격자 내에서 포논 산란을 유도하여 감소한 열전도도에 기인한다.