N- ve P-tip Katkılı Mg2Si1-xSnx Katı alaşımlarının termal iletkenliklerinin teorik calışması

Mg2Si1-xSnx katı alaşımları yüksek termoelektrik verimlilikleri sebebiyle 500 K’den 800 K’e kadar olan orta sıcaklılık aralığı için umut vaadeden termoelektrik materyallerdir. Bu çalışmada hem n- hem p-tip katkılı Mg2Si1-xSnx katı alaşımlarının termal iletkenlikleri teorik olarak detaylıca incelenmesi sunulmuştur. Taşıyıcılardan (elektronlar yada holler), elektron-hole çiftlerinden ve fononlardan kaynaklanan termal iletkenlik katkıları ayrı ayrı göz önüne alınarak ve sırasıyla Wiedeman-Franz kanunu, Price’in teorisi, ve Debye’nin izotropik sürekli modeli uygulanarak hesaplanmıştır. Bütün fonon çarpışma mekanizmaları, kaynağı kristal sınırlarından, kütle bozukluklarından, bozunum potansiyellerinden ve anharmoniklikten olan katı alaşımların hepsi için eksiksiz bir şekilde incelenmiştir. En düşük toplam termal iletkenlik değerleri n-tip katkılı Mg2(Si0.4Sn0.6)0.98Bi0.02 katı alaşım için 700 K’de 2.431 WK-1m-1 olarak, p-tip katkılı Mg2(Si0.3Sn0.7)0.95Ga0.05 katı alaşım için 600 K’de 1.843 WK-1m-1 olarak bulunmuştur buda açıkca öneriyor ki p-tip katkılı Mg2Si1-xSnx tabanlı katı alaşımlar n-tip katkılı katı alaşımlarından termoelektrik cihazlar için daha iyi adaylardır.

Theoretical Study of Thermal Conductivities of n- and p-type Doped Mg2Si1-xSnx Thermoelectric Solid Solutions

Mg2Si1-xSnx solid solutions are a promising class of thermoelectric materials due to their high thermoelectric efficiencies at intermediate temperature range from 500 K to 800 K. Present study presents a theoretical work of the   thermal conductivities of both n- and p-type doped Mg2Si1-xSnx solid solutions. The thermal conductivity contributions arising from carriers (electrons or holes), electron-hole pairs, and phonons are taken into account separately by employing the Wiedemann-Franz law, Price's theory, and Debye's isotropic continuum model, respectively. All phonon scattering mechanisms originate from crystal boundaries, mass-defects, deformation potentials, and anharmonicity are investigated rigorously for all solid solutions. The lowest total thermal conductivity values are obtained as 2.431 WK-1m-1 at 700 K for n-type doped Mg2(Si0.4Sn0.6)0.98Bi0.02 solid solution and 1.843 WK-1m-1 at 600 K for p-type doped Mg2(Si0.3Sn0.7)0.95Ga0.05 solid solution which clearly suggest that p-type doped Mg2Si1-xSnx based solid solutions are better candidates for the thermoelectric devices than their n-type doped solid solutions.

___

  • V. K. Zaitsev, M. I. Fedorov, I. S. Eremin, E. A. Gurieva, and D. M. Rowe, ‘Thermoelectrics handbook: macro to nano’, CRC Press. Taylor Fr. Boca Rat., 2006.
  • C. Li, Y. Wu, H. Li, and X. Liu, ‘Microstructural formation in hypereutectic Al-Mg2Si with extra Si’, J. Alloys Compd., vol. 477, no. 1, pp. 212–216, 2009.
  • P. M. Lee, ‘Electronic structure of magnesium silicide and magnesium germanide’, Phys. Rev., vol. 135, no. 4A, p. A1110, 1964.
  • S. K. Bux, M. T. Yeung, E. S. Toberer, G. J. Snyder, R. B. Kaner, and J.-P. Fleurial, ‘Mechanochemical synthesis and thermoelectric properties of high quality magnesium silicide’, J. Mater. Chem., vol. 21, no. 33, pp. 12259– 12266, 2011.
  • V. K. Zaitsev et al., ‘Highly effective Mg2Si1- xSnx thermoelectrics’, Phys. Rev. B, vol. 74, no. 4, p. 45207, 2006.
  • X. Liu et al., ‘Low electron scattering potentials in high performance Mg2Si0. 45Sn0. 55 based thermoelectric solid solutions with band convergence’, Adv. Energy Mater., vol. 3, no. 9, pp. 1238–1244, 2013.
  • W. Liu et al., ‘High figure of merit and thermoelectric properties of Bi-doped Mg2Si0.4Sn0.6 solid solutions’, J. Solid State Chem., vol. 203, pp. 333–339, 2013.
  • T. Dasgupta, C. Stiewe, R. Hassdorf, A. J. Zhou, L. Boettcher, and E. Mueller, ‘Effect of vacancies on the thermoelectric properties of Mg2Si1- xSbx (0 ≤ x ≤ 0.1)’, Phys. Rev. B, vol. 83, no. 23, p. 235207, 2011.
  • J.-Y. Jung, K.-H. Park, and I.-H. Kim, ‘Thermoelectric Properties of Sb-doped Mg2Si Prepared by Solid-State Synthesis’, IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 18, no. 14, p. 142006, 2011.
  • J. Tani and H. Kido, ‘Thermoelectric properties of Sb-doped Mg2Si semiconductors’, Intermetallics, vol. 15, no. 9, pp. 1202–1207, 2007.
  • M. I. Fedorov, V. K. Zaitsev, and G. N. Isachenko, ‘High effective thermoelectrics based on the Mg2Si-Mg2Sn solid solution’, Solid State Phenomena, 2011, vol. 170, pp. 286–292.
  • A. U. Khan, N. Vlachos, and T. Kyratsi, ‘High thermoelectric figure of merit of Mg2Si0.55Sn0.4Ge0.05 materials doped with Bi and Sb’, Scr. Mater., vol. 69, no. 8, pp. 606–609, 2013.
  • P. J. Price, ‘CXXXV. Ambipolar thermodiffusion of electrons and holes in semiconductors’, London, Edinburgh, Dublin Philos. Mag. J. Sci., vol. 46, no. 382, pp. 1252–1260, 1955.
  • G. P. Srivastava, ‘The physics of phonons’, CRC press, 1990.
  • D. M. Rowe, ‘Thermoelectrics handbook: macro to nano’, Thermoelectr. Handb. Macro to Nano, vol. 80, no. 10, p. 1014, 2005.
  • R. R. Heikes and R. W. Ure, ‘Thermoelectricity: science and engineering’, Interscience Publishers, 1961.
  • J. Tani and H. Kido, ‘Thermoelectric properties of Bi-doped Mg2Si semiconductors’, Phys. B Condens. Matter, vol. 364, no. 1, pp. 218–224, 2005.
  • T. Yi et al., ‘Synthesis and characterization of Mg2Si/Si nanocomposites prepared from MgH2 and silicon, and their thermoelectric properties’, J. Mater. Chem., vol. 22, no. 47, pp. 24805–24813, 2012.
  • Ö. C. Yelgel and G. P. Srivastava, ‘Thermoelectric properties of n-type Bi2(Te0.85Se0.15)3 single crystals doped with CuBr and SbI3’, Phys. Rev. B, vol. 85, no. 12, p. 125207, 2012.
  • A. H. Wilson, ‘The Theory of Metals Cambridge’, Gt. Britain, p. 26, 1953.
  • J. P. McKelvey, ‘Solid state and semiconductor physics’, 1966.
  • Ö. Ceyda Yelgel and G. P. Srivastava, ‘Thermoelectric properties of p-type (Bi2Te3) x (Sb2Te3)1- x single crystals doped with 3 wt.% Te’, J. Appl. Phys., vol. 113, no. 7, p. 73709, 2013.
  • G. S. Nolas, H. J. Goldsmid, and T. M. Tritt, ‘Thermal Conductivity: Theory, Properties, and Applications’, 2004.
  • M. G. Holland, ‘Phonon scattering in semiconductors from thermal conductivity studies’, Phys. Rev., vol. 134, no. 2A, p. A471, 1964.
  • M. Grundmann, ‘The Physics of Phonons: An Introduction Including Devices and Nanophysics’. Springer, Berlin, 2006.
  • O. Madelung, U. Rössler, and M. Schulz, ‘Non-tetrahedrally bonded elements and binary compounds I’, Landolt-Börnstein Ser., vol. 3, 1998.
  • H. Wang, H. Jin, W. Chu, and Y. Guo, ‘Thermodynamic properties of Mg2Si and Mg2Ge investigated by first principles method’, J. Alloys Compd., vol. 499, no. 1, pp. 68–74, 2010.
Sakarya University Journal of Science-Cover
  • Yayın Aralığı: Yılda 6 Sayı
  • Başlangıç: 1997
  • Yayıncı: Sakarya Üniversitesi
Sayıdaki Diğer Makaleler

Dijital radyografi sistemlerinde gürültünün konum ve frekans uzayında irdelenmesi

Turan OLĞAR, Ph.D.

Prunus avium’dan ekstrakte edilen total antosiyaninlerin genoprotektif etkisi

Ahmet Ali BERBER, Fatih SÖNMEZ, Nurcan BERBER, Taki DEMİR, Merve Ayşe DOĞANCI, Betül AYGÜN, Hüseyin AKSOY

Gecikmeli lineer olmayan bir Volterra integral denkleminin çözümü

Aynur ŞAHİN, Zeynep KALKAN, Hakan ARISOY

Farklı kapı oksitli RadFET dozimetrelerinin ışınlama öncesi elektriksel karakteristiklerinin TCAD benzetim programı ile değerlendirilmesi

Ayşegül KAHRAMAN, Ercan YILMAZ

Dördüncü mertebeden sınırlı gecikmeli nonlineer diferansiyel denklemlerin çözümlerinin kararlılığı ve sınırlılığı

Erdal KORKMAZ

Schottky diyot parametrelerini belirlemede kullanılan metotların geniş bir sıcaklık aralığı için kıyaslanması

Durmuş Ali ALDEMİR, Ali KÖKCE, Ahmet Faruk ÖZDEMİR

Fotonik kristallerde yüzey kipleri özelliklerini kullanarak bağlaştırıcı, demet bölücü ve algılayıcı tasarımları

Fulya BAĞCI, Öznur ÇAPRAZ, Barış AKAOĞLU

Termofilik Geobacillus sp. TF14’ten saflaştırılan α-Amilaz enziminin Kitosan boncuklara kovalent immobilizasyonu

Şaban KESKİN, Nagihan SAĞLAM ERTUNGA, Kadriye İNAN BEKTAŞ

Zaman skalalarının de Groot Duali

Soley ERSOY, Hilal POLAT, Ayşenur TÜRKOĞLU

Çoklu doğrusal bağlantı durumunda doğrusal karma modelin kullanımı ve bir uygulama

Melike Bahçecitapar, Serpil Aktaş