سنتز بورنیت (Cu5FeS4) نانوساختار با روش آلیاژسازی مکانیکی و بررسی اثر دوپ کردن همزمان Zn و Co بر روی خواص ترموالکتریکی آن

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد

مقاله 37، دوره 13، شماره 4 - شماره پیاپی 51، دی 1398، صفحه 83-94   

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

احمد استواری مقدم^{* 1}؛ علی شکوه فر²

¹آزمایشگاه تحقیقاتی نانوتکنولوژی و مواد پیشرفته، گروه آموزشی مهندسی و علم مواد، دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

²دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی

چکیده

برای توسعه دستگاه‌های حالت جامد ترموالکتریک، موادی با بازده بالا که از عناصر غیر سمی و فراوان در پوسته زمین تشکیل شده باشد از اهمیت بسزایی برخوردار است. در این مقاله، خواص ترموالکتریک نمونه‌های نانوساختار Cu5-2xZnxCoxFeS4 (0 ≤ x ≤ 0.06) مورد بررسی قرار گرفت. برای این منظور، ابتدا نانوذرات Cu5-2xZnxCoxFeS4 توسط آسیاب گلوله‌ای پرانرژی سنتز شد و سپس نمونه‌های نانوساختار دیسکی شکل با پرس داغ تهیه شد. روش پراش اشعه ایکس (XRD) برای مطالعه خواص ساختاری، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) برای بررسی ریزساختار نمونه‌ها مورد استفاده قرار گرفت، و خواص ترموالکتریک نمونه‌ها نیز با اندازه‌گیری رسانایی الکتریکی و هدایت حرارتی بررسی شد. نتایج XRD نشان داد که ساختار بلوری نمونه‌های Cu5-2xZnxCoxFeS4 تا حد دوپ کردن x = 0.04 بورنیت خالص است. ضریب توان نمونه‌های بورنیت دوپ نشده برابر با mWm-1K-2 0.25 بود و پس از دوپ کردن با Co و Zn کاهش یافت. جایگزین کردن جزئی همزمان کبالت و روی در ساختار بورنیت در محدوده 0.02 ≤ x ≤ 0.04 باعث تغییر رسانایی نمونه به نوع-n شد. به دلیل نوسانات جرمی و کرنشی ناشی از دوپ کردن و نانوساختار بودن، هدایت حرارتی بسیار اندک k < 0.30 Wm-1K-1 برای تمام نمونه‌های دوپ شده بدست آمد. بیشترین مقدار ZT = 0.35 برای نمونه دوپ شده با مقدار x = 0.06 حاصل شد.

کلیدواژه‌ها

بورنیت؛ نانوساختار؛ دوپ کردن؛ آلیاژ سازی مکانیکی؛ خواص ترموالکتریک

مراجع

 

[1]     R. Ahmed, N. S Masuri, B. U. Haq, A. Shaari, S. A. Faifi, F. K. Butt, M. N. Muhamad, M. Ahmed & S. A. Tahir, “Investigations of electronic and thermoelectric properties of half-Heusler alloys XMgN (X = Li, Na, K) by first-principles calculationsˮ, Materials and Design, Vol. 136, pp. 196-203, 2017.

 

[2]     A. Zolriasatein, X. Yan, E. Bauer, P. Rogl, A. Shokuhfar & S. Paschen, “Influence of PCA on thermoelectric properties and hardness of nanostructured Ba–Cu–Si clathratesˮ, Materials and Design, Vol. 87, pp. 883-890, 2015.

 

[3]     S. Ortega, M. Ibáñez, Y. Liu, Y. Zhang, M. V. Kovalenko, D. Cadavid & A. Cabot, “Bottom-up engineering of thermoelectric nanomaterials and devices from solution-processed nanoparticle building blocksˮ, Chemical Society Reviews, Vol. 46, pp. 3510-3528, 2017.

 

[4]     H. Wang, J. F. Li, M. Zou & T. Sui, “Synthesis and transport property of AgSbTe2 as a promising thermoelectric compoundˮ, Applied Physics Letters, Vol. 93, pp. 202106, 2008.

 

[5]     R. Chetty, A. Bali & R. C. Mallik, “Tetrahedrites as thermoelectric materials: an overviewˮ, Journal of Materials Chemistry C, Vol. 3 pp. 12364-12378, 2015.

 

[6]     G. J. Snyder & E. S. Toberer, “Complex thermoelectric materialsˮ, Nature Materials, Vol. 7, pp. 105-114, 2008.

 

[7]     D. James, X. Lu, A. C. Nguyen, D. Morelli & S. L. “Brock, design of lead telluride based thermoelectric materials through incorporation of lead sulfide inclusions or ligand stripping of nanosized building blocksˮ, Journal of Physical Chemistry C, Vol. 119, pp. 4635–4644, 2015.

 

[8]     Y. Zhang, X. Jia, H. Sun, B. Sun, B. Liu, H. Liu, L. Kong & H. Ma, “Suppressing adverse intrinsic conduction of Bi2Te3 thermoelectric bulks by Sb and Cu co-substitutions via HPHT synthesisˮ, RSC Advances, Vol. 6, pp. 7378-7383, 2016.

 

[9]     X. Lu, D.T. Morelli, Y. Xia, F. Zhou, V. Ozolins, H. Chi, X. Zhou & C. Uher, “High performance thermoelectricity in earth-abundant compounds based on natural mineral tetrahedritesˮ, Advanced Energy Materials, Vol. 3, pp. 342–348, 2013.

 

[10] X. Lu, “Thermoelectric properties of natural mineral based tetrahedrite compoundsˮ, In Department of Physics & Astronomy, Michigan State University: ProQuest LLC. pp. 158, 2014.

 

[11] P. Qiu, “Sulfide bornite thermoelectric material: a natural mineral with ultralow thermal conductivityˮ, Energy & Environmental Science, Vol. 7, pp. 4000-4006, 2014.

 

[12] Y. He, T. Day & T. Zhang, “High Thermoelectric Performance in Non‐Toxic Earth‐Abundant Copper Sulfideˮ, Advanced Materials, Vol. 26, pp. 3974-3978, 2014.

 

[13] B. A. Grguric & A. Putnis, “Compositional controls on phase-transition temperatures in bornite; a differential scanning calorimetry studyˮ, The Canadian Mineralogist, Vol. 36, pp. 215-227, 1998.

 

[14] G. Guélou, A. V. Powell & P. Vaqueiro, “Ball milling as an effective route for the preparation of doped bornite: synthesis, stability and thermoelectric propertiesˮ, Journal of Physical Chemistry C, Vol. 3, pp. 10624-10629, 2015.

 

[15] V. Pavan Kumar, T. Barbier, P. Lemoine, B. Raveau, V. Nassif & E. Guilmeau, “Crucial role of selenium for sulphur substitution in the structural transitions and thermoelectric properties of cCu5FeS4 borniteˮ, Dalton Transactions, Vol. 46, pp. 2174-2183, 2017.

 

[16] A. Ostovari Moghaddama, A. Shokuhfar & A. Cabot, “Thermoelectric properties of nanostructured bornite Cu5-xCoxFeS4 synthesized by high energy ball millingˮ, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 750, pp. 1–7, 2018.

 

[17] N. Morimoto & G. Kullerud, “Polymorphism in borniteˮ, American Mineralogist,Vol. 46, pp. 1270-1282, 1961.

 

[18] B. A. Grguric, A. Putnis & R. J. Harrison, “An investigation of the phase transitions in bornite (Cu5FeS4) using neutron diffraction and differential scanning calorimetryˮ, American Mineralogist, Vol. 83, pp. 1231–1239, 1998.

 

[19] Y. Ding, D. R. Veblen & C. T. Prewitt, “High-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) study of the 4a and 6a superstructure of bornite Cu5FeS4ˮ, American Mineralogist, Vol. 90, pp. 1256–1264, 2005.

 

[20] Y. Kanazawa, K. Koto & N. Morimoto, “Bornite (Cu5FeS4): stability and crystal structure of the intermediate formˮ, The Canadian Mineralogist, Vol. 16, pp. 397-404, 1978.

 

[21] K. Koto & N. Morimoto, “Superstructure investigation of bornite, Cu5FeS4, by the modified partial patterson functionˮ, Acta Crystallographica, Vol. 31, pp. 2268-2273, 1975.

 

[22] R. Chetty, A. Bali, M. H. Naik, G. Rogl, P. Rogl, M. Jain, S. Suwas & R. C. Mallik, “Thermoelectric properties of Co substituted synthetic tetrahedriteˮ, Acta Materialia, Vol. 100, pp. 266–274, 2015.

 

[23] A. Zhang, X. Shen, Z. Zhang, X. Lu, W. Yao, J. Dai, D. Xie, L. Guo, G. Wang & X. Zhou, “Large-scale colloidal synthesis of Cu5FeS4 compounds and their application in thermoelectricsˮ, Journal of Materials Chemistry C, Vol. 5, pp. 301-308, 2017.

 

[24] A. Ostovari Moghaddama, A. Shokuhfar, A. Cabot & A. Zolriasatein, “Synthesis of bornite Cu5FeS4 nanoparticles via high energy ball milling: Photocatalytic and thermoelectric propertiesˮ, Powder Technology, Vol. 333, pp. 160-166, 2018.

 

[25] X. Cai, X. Q. Su, F. Ye, H. Wang, X. Q. Tian, D. P. Zhang, P. Fan, J. T. Luo, Z. H. Zheng, G. X. Liang & V. A. L. Roy, “The n-type conduction of indium-doped Cu2O thin films fabricated by direct current magnetron co-sputteringˮ, Citation: Applied Physics Letters, Vol. 107, pp. 083901, 2015.

 

[26] L. Guo1, X. Q. Wang, X. T. Zheng, X. L. Yang, F. J. Xu, N. Tang, L. W. Lu, W. K. Ge, B. Shen, L. H. Dmowski & T. Suski, “Revealing of the transition from n- to p-type conduction of InN:Mg by photoconductivity effect measurementˮ, Scientific Reports, Vol. 4, pp. 4371, 2014.

 

[27] Z. Liu, Y. Zhang, J. Mao, W. Gao, Y. Wang, J. Shuai, W. Cai, J. Sui & Z. Ren, “The microscopic origin of low thermal conductivity for enhanced thermoelectric performance of Yb doped MgAgSbˮ, Acta Materialia, Vol. 128, pp. 227-234, 2017.

 

[28]    ص. عباسی، س. م. زبرجد، ح. نوعی باغبان و ع. یوسفی، "تاثیر میزان نانوذرات بر روی پایداری و هدایت حرارتی نانوسیال حاوی نانولوله‌های کربنی آرایش یافته با نانوذرات TiO2"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال 8، شماره 2، صفحه 1-8، 1393.

 

[29]    ص. عباسی و ف. نوری وطن، "سنتز و مشخصه یابی نانومیله های نقره و مس و بررسی هدایت حرارتی نانوسیال حاوی نانومیله‌های سنتزشده"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، سال 10، شماره 4، صفحه 101-108، 1395.