Synthesis and Characterization of Semiconducting Materials Based on TiO2-x for Thermoelectric Applications

Abstract

In chapter 1, single crystalline rutile TiO2 nanowires are synthesized through hydrothermal method. Shear structures in TiO2 NWs are introduced by hydrogen reduction forming homologous series of Magnèli phase titanium oxides depending on reduction temperature. The morphology and structure of the synthesized rutile TiO2 NWs and the reduced titanium oxide NWs were examined by HR-TEM, EDS, SEM, and PXRD. The optical band gaps of TiO2 NWs were determined by UV/VIS spectroscopy. To measure the thermoelectric properties, the nanopowders were sintered by spark plasma sintering (SPS) at 1000 oC and 800 oC. In the sample sintered at 1000oC for 10 min, reduced titania with shear plane was observed and a tremendous increase in the electrical conductivity and a decrease in thermal conductivity were observed. The maximum ZT value was 0.075 for 1000RTO at 500 oC. In case of the samples sintered at 800 oC for 5 min, the thermal conductivity decreased incredibly, while the electrical conductivity also severely decreased. The maximum ZT value was 0.058 for 1000RTO at 500 oC. In chapter 2, titanium monoxide derivative of sulfide (TiOxS1-x) was synthesized by heating under bubbling inert gas through CS2 solution and investigate the effect of the sulfur substitution on the thermoelectric properties. The synthesized TiOxS1-x samples were investigated by using HR‐TEM, EDS, PXRD, XPS, elemental analysis. We could verify the formation of Ti – S bond replacing Ti – O, not forming TiS2 phase. The electrical conductivity of TiOxS1-x sample was lower than that of TiO. However, its lower thermal conductivity and better thermal stability could make TiOxS1-x a better thermoelectric material compared to TiO. The maximum ZT value was observed to be 0.016 at 500 oC for TiOxS1-x.;본 연구의 제 1장은 수열합성을 통해 단결정 TiO2나노와이어를 합성하여 수소를 이용한 환원을 통해 전단면을 도입하는 실험에 관한 것이다. 수소환원으로 생기는 환원된 TiO2는 환원된 정도에 따라 TinO2n-1의 화학식을 갖는 Magnèli을 이루고 이 상들은 전단면이 도입되는 특성을 갖는다. 합성된 TiO2나노선과 환원된 티타늄 산화물의 형태와 구조는 HR-TEM, EDS, SEM, PXRD을 통해 분석하였고 광학적 밴드갭은 UV/VIS 분광법을 통해 분석하였다. 열전특성을 측정하기 위하여 합성된 나노선은 SPS 소결법을 통해 벌크 펠렛으로 소결하였고 소결조건은 다음과 같이 두가지로 이루어졌다; 1000 oC, 800 oC. 1000 oC에서 소결된 환원종은 전기전도도의 상당한 증가를 보였고 열전도도의 큰 감소를 보였는데 이것은 rutile구조에서 환원을 통해 도입된 전단면의 영향으로 기인한 것이다. 1000 oC에서 소결시킨 환원종의 최대 ZT값은 500 oC에서 0.075로 나타났다. 한편 800 oC에서 소결시킨 환원종은 훨씬 큰 열전도도의 하락을 관찰한 반면 전기적 특성 역시 크게 감소하였고, 이는 치밀도가 더 낮기 때문으로 보인다. 800 oC에서 소결시킨 샘플 중 최대 ZT값은 1000RTO로 500 oC에서 0.058으로 관찰되었다. 제 2장은 CS2를 이용하여 황으로 치환된 TiO의 열전특성에 관한 것이다. 합성된 TiOxS1-x 는 HR‐TEM, EDS, PXRD, XPS를 통해 분석하였다. 분석결과를 토대로 산소원자를 치환한 자리에서 Ti – S 결합이 생긴 것을 확인 할 수 있었고 Ti – C 결합이 없는 것으로 미루어볼 때, 흡착된 CS2가 아닌 CS2에서 분해된 황 원소에 의해 TiO가 개질된 것을 확인 할 수 있었다. 황으로 치환된 TiOxS1-x 는 TiO보다는 전기적 특성이 더 낮아진 것을 볼 수 있었지만 크게 낮아진 열전도도와 고온에서의 열적 안정성이 증가하였기 때문에 결과적으로는 더 나은 열전성질을 관찰할 수 있었다. 최대 ZT값은 TiOxS1-x가 500 oC에서 0.016으로 관찰되었다.