Synthesis and Characterization of Nanostructured Bismuth Telluride-based Materials for Thermoelectric Applications

Abstract

In chapter 1, we synthesized nanostructured BixSb2-xTe3 in solution based simple procedure and the surface of synthesized nanoparticles was exchanged with inorganic ligands, SnS44-. The inorganic ligands, SnS44-, act as precursors and sulfur doping agents. We expected that the nanostructured heterophase bulk TE material could contribute to the increment of phonon scattering, affecting the transport properties. We investigated the difference between the thermoelectric properties of the sintered samples prepared from the organic ligand and those from the inorganic ligand. In chapter 2, thermoelectric properties of the BiI3 doped Bi2Te3 was investigated to understand the effect of the dopants, BiI3, on Bi2Te3-based compounds. In order to study the BiI3 doping effects on thermoelectric performance, we prepared Bi2Te3-based samples with different ratio of BiI3.

;본 연구의 제 1장은 표면을 개질한 BixSb2-xTe3 나노 물질의 합성과 열전 성능 분석에 관한 것이다. 먼저 용매열 합성을 통해 BixSb2-xTe3 나노 입자를 합성하였다. 합성된 입자의 형태는 SEM, HR-TEM으로 확인하였고, PXRD, SEM-EDS을 통해 조성과 구조를 분석하였다. 합성된 BixSb2-xTe3 나노 입자는 표면의 긴 탄화수소 줄기를 가진 유기 리간드를 상전이 반응을 통해 SnS44-의 무기 리간드로 성공적으로 치환하였다. 치환된 나노 입자는 FT-IR, XPS를 통해 확인하였다. 유기 리간드와 무기 리간드가 각각 열전 성능에 어떤 영향을 미치는지 연구하기 위해 유기 리간드로 둘러싸인 나노입자와 무기 리간드로 둘러싸인 나노입자를 모두 합성하여 열전 성능을 측정하였다. 측정 결과, 전기전도도가 크게 증가하였고, Seebeck 상수 역시 증가하였으며, 동시에 열전도도는 감소하여 열전 성능이 크게 향상되었다. 이는 절연체인 유기물 부분이 제거 되었고 나노구조물 경계에서의 포논 산란이 증가한 것에 기인한다. 제 2장은 BiI3가 도핑된 Bi2Te3에 관한 연구이다. 합성된 물질은 PXRD를 통해 구조와 조성을 분석하였다. 그리고 온도 변화에 따른 전기전도도, Seebeck 상수, 열전도도를 측정하였다. 도핑된 BiI3로 인하여 전기전도도는 크게 증가하였고, Seebeck 상수는 감소하였으며, 열전도도는 크게 감소하였다. 결과적으로는, BiI3가 도핑된 Bi2Te3 물질은 순수한 Bi2Te3보다 ZT 값이 향상되었다.