Haute performance thermoelectrique dans les nanomatériaux n-type Bi2Te3–xSex texturés cristallographiquement produits à partir de nanocristaux colloïdaux asymétriques

Dans le travail présent, nous démontrons des nanomatériaux n-type Bi2Te3–xSex texturés cristallographiquement avec des figures de mérite thermoelectriques exceptionnelles produites par la consolidation de nanocristaux colloïdaux de Bi2Te3–xSex en forme de disque (NCs). La texture cristallographique a été obtenue par pressage à chaud des NCs asymétriques en présence d'un excès de tellure. Pendant le pressage à chaud, le tellure a agi à la fois comme lubrifiant pour faciliter la rotation des NCs se situant près de la normale à l'axe de pression et comme solvant pour dissoudre les NCs approximativement alignés avec la direction de pressage, qui se recristallisent ensuite avec une orientation préférentielle. Les nanomatériaux n-type Bi2Te3–xSex basés sur NC ont montré des conductivités électriques très élevées associées à de fortes concentrations de porteurs de charge, n. Nous émettons l'hypothèse que ce grand n résulte de la présence d'un excès de tellure pendant le traitement, ce qui a introduit une haute densité de sites antisites de donneurs TeBi. De plus, la présence entre les grains de traces de Te élémentaire, un semi-conducteur à gap interdit étroit avec un travail fonction bien en dessous de Bi2Te3–xSex, pourrait également contribuer à augmenter n par déversement d'électrons, tout en bloquant en même temps la propagation des phonons et le transport des trous à travers le nanomatériau. Les nanomatériaux n-type Bi2Te3–xSex basés sur NC ont été caractérisés par des conductivités thermiques très faibles dans la direction de pressage, ce qui a entraîné des valeurs de ZT allant jusqu'à 1.31 à 438 K dans cette direction. Cela correspond à une amélioration d'environ 40 % de ZT par rapport aux lingots commerciaux. De plus, des valeurs de ZT élevées ont été étendues sur des plages de température plus larges en raison de la contribution bipolaire réduite au coefficient de Seebeck et à la conductivité thermique. Des valeurs moyennes de ZT jusqu'à 1.15 sur une large plage de température, de 320 à 500 K, ont été mesurées, ce qui correspond à une augmentation d'environ 50 % par rapport aux matériaux commerciaux dans la même plage de température. Contrairement à la plupart des travaux précédents, les plus fortes valeurs de ZT ont été obtenues dans la direction de pressage, correspondant à l'axe cristallographique c, en raison de la prédominance de la réduction de la conductivité thermique sur la différence de conductivité électrique en comparant les deux directions cristallines.