Вплив кристалічної структури та хімічних зв’язків на електронні та теплові властивості у шпінелях Cu2MeHf3S8 (Me – Mn, Fe, Co, Ni)
DOI:
https://doi.org/10.15330/pcss.24.2.235-243Ключові слова:
неоднорідність зв’язків, кристалічна структура, рухливість носіїв заряду, теплопровідність, тетрарні сульфідиАнотація
Встановлення взаємозв’язків між кристалічною структурою та транспортними властивостями є важливою проблемою, що безпосередньо пов’язана із застосуванням функціональних матеріалів. У цій роботі нами представлено аналіз кристалічної структури, хімічних зв’язків, елетронних та теплових транспортних властивостей сполук Cu2МеHf3S8 (Ме – Mn, Fe, Co, Ni). Збільшення рухливості носіїв заряду в ряду Mn → Fe → Со → Ni, а також зміна домінуючого механізму розсіювання носіїв заряду від росіювання на точкових дефектах до розсіювання на акустичних фононах пояснює найкращий рух електронів у сполуці Cu2NiHf3S8. Окрім цього, неоднорідність зв’язків між ковалентним для δ(Co – S) і δ(Hf – S) з одного боку та більш іонним для δ(Cu – S) з іншої сторони призводить до низької теплопровідності в матеріалах Cu2MeHf3S8 (Me – Mn, Fe, Co, Ni). У роботі також пропонується оглях зв’язку між зайнятістю октедричної 16d ПСТ і термоелектричними параметрами досліджених тіошпінелей. Варто зазначити, що найкращі термоелектричні параметри спостерігаються у тому випадку, коли в суміші присутні два валентних електрони на d-підрівні атомів, що займають октаедричні позиції, що може бути важливим для подальших досліджень з метою покращення термоелектричних параметрів тіошпінелей.
Посилання
Z. Chen, X. Zhang, Y. Pei, Manipulation of Phonon Transport in Thermoelectrics, Adv. Mater., 30, 1705617 (2018); https://doi.org/10.1002/adma.201705617.
K. Zhao, P. Qiu, X. Shi, L. Chen, Recent Advances in Liquid‐Like Thermoelectric Materials, Adv. Funct. Mater., 30, 1903867 (2020); https://doi.org/10.1002/adfm.201903867.
T. Ghosh, M. Dutta, D. Sarkar, K. Biswas, Insights into Low Thermal Conductivity in Inorganic Materials for Thermoelectrics, J. Am. Chem. Soc., 144, 10099 (2022); https://doi.org/10.1021/JACS.2C02017/ASSET/IMAGES/LARGE/JA2C02017_0008.JPEG.
R.A. Miller, Thermal barrier coatings for aircraft engines: History and directions, J. Therm. Spray Technol., 6, 35 (1997); https://doi.org/10.1007/BF02646310/METRICS.
O. Cherniushok, R. Cardoso-Gil, T. Parashchuk, R. Knura, Y. Grin, K.T. Wojciechowski, Lone-Pair-Like Interaction and Bonding Inhomogeneity Induce Ultralow Lattice Thermal Conductivity in Filled β-Manganese-Type Phases, Chem. Mater. 34, 6389 (2022); https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c00915.
T. Parashchuk, A. Shabaldin, O. Cherniushok, P. Konstantinov, I. Horichok, A. Burkov, Z. Dashevsky, Origins of the enhanced thermoelectric performance for p-type Ge1-xPbxTe alloys, Phys. B Condens. Matter. 596, 412397(2020); https://doi.org/10.1016/J.PHYSB.2020.412397.
T. Parashchuk, B. Wiendlocha, O. Cherniushok, R. Knura, K.T. Wojciechowski, High Thermoelectric Performance of p-Type PbTe Enabled by the Synergy of Resonance Scattering and Lattice Softening, ACS Appl. Mater. Interfaces, 13, 49027 (2021); https://doi.org/10.1021/acsami.1c14236.
T. Parashchuk, R. Knura, O. Cherniushok, K.T. Wojciechowski, Ultralow Lattice Thermal Conductivity and Improved Thermoelectric Performance in Cl-Doped Bi2Te3–xSex Alloys, ACS Appl. Mater. Interfaces. 14, 33567 (2022); https://doi.org/10.1021/acsami.2c08686.
O. Cherniushok, O. V. Smitiukh, J. Tobola, R. Knura, O. V. Marchuk, T. Parashchuk, K.T. Wojciechowski, Crystal Structure and Thermoelectric Properties of Novel Quaternary Cu2MHf3S8(M-Mn, Fe, Co, and Ni) Thiospinels with Low Thermal Conductivity, Chem. Mater. 34, 2146 (2022); https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c03593.
M. Maksymuk, K. Zazakowny, A. Lis, A. Kosonowski, T. Parashchuk, K.T. Wojciechowski, Development of the anodized aluminum substrates for thermoelectric energy converters, Ceram. Int. 49, 4816(2023); https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2022.09.371.
W.G. Zeier, A. Zevalkink, Z.M. Gibbs, G. Hautier, M.G. Kanatzidis, G.J. Snyder, Thinking Like a Chemist: Intuition in Thermoelectric Materials, Angew. Chemie Int. Ed. 55, 6826 (2016); https://doi.org/10.1002/ANIE.201508381.
O. Cherniushok, T. Parashchuk, J. Tobola, S.D.N. Luu, A. Pogodin, O. Kokhan, I. Studenyak, I. Barchiy, M. Piasecki, K.T. Wojciechowski, Entropy-Induced Multivalley Band Structures Improve Thermoelectric Performance in p-Cu7P(SxSe1- x)6Argyrodites, ACS Appl. Mater. Interfaces., 13, 39606 (2021); https://doi.org/10.1021/acsami.1c11193.
K. Zazakowny, A. Kosonowski, A. Lis, O. Cherniushok, T. Parashchuk, J. Tobola, K.T. Wojciechowski, Phase Analysis and Thermoelectric Properties of Cu-Rich Tetrahedrite Prepared by Solvothermal Synthesis, Materials (Basel)., 15, 849(2022); https://doi.org/10.3390/MA15030849.
J. Yang, Y. Wang, H. Yang, W. Tang, J. Yang, L. Chen, W. Zhang, Thermal transport in thermoelectric materials with chemical bond hierarchy, J. Phys. Condens. Matter., 31, 183002 (2019); https://doi.org/10.1088/1361-648X/AB03B6.
F. Kateusz, T. Korzec, M. Zambrzycki, O. Cherniushok, M. Gubernat, Influence of montmorillonite nanoparticles on thermal and mechanical properties of carbon-carbon hybrid composites based on phenolic-formaldehyde resin, Compos. Theory Pract., 2021, 96 (2021).
H. Liu, X. Shi, F. Xu, L. Zhang, W. Zhang, L. Chen, Q. Li, C. Uher, T. Day, G. Snyder Jeffrey, Copper ion liquid-like thermoelectrics, Nat. Mater., 11, 422 (2012); https://doi.org/10.1038/nmat3273.
L.D. Zhao, S.H. Lo, Y. Zhang, H. Sun, G. Tan, C. Uher, C. Wolverton, V.P. Dravid, M.G. Kanatzidis, Ultralow thermal conductivity and high thermoelectric figure of merit in SnSe crystals, Nature., 508, 373 (2014); https://doi.org/10.1038/nature13184.
X.L. Shi, J. Zou, Z.G. Chen, Advanced Thermoelectric Design: From Materials and Structures to Devices, Chem. Rev., 120, 7399 (2020); https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00026.
E.J. Skoug, D.T. Morelli, Role of lone-pair electrons in producing minimum thermal conductivity in nitrogen-group chalcogenide compounds, Phys. Rev. Lett., 107, 235901(2011); https://doi.org/10.1103/PHYSREVLETT.107.235901/FIGURES/4/MEDIUM.
C. Chang, L.D. Zhao, Anharmoncity and low thermal conductivity in thermoelectrics, Mater. Today Phys., 4, 50 (2018); https://doi.org/10.1016/J.MTPHYS.2018.02.005.
O. V. Smitiukh, O. V. Marchuk, Y.M. Kogut, V.O. Yukhymchuk, N. V. Mazur, G.L. Myronchuk, S.M. Ponedelnyk, O.I. Cherniushok, T.O. Parashchuk, O.Y. Khyzhun, T. Wojciechowski, A.O. Fedorchuk, Effect of rare-earth doping on the structural and optical properties of the Ag3AsS3 crystals, Opt. Quantum Electron., 54, (2022); https://doi.org/10.1007/S11082-022-03542-W.
Y. Grin, Inhomogeneity and anisotropy of chemical bonding and thermoelectric properties of materials, J. Solid State Chem., 274, 329 (2019); https://doi.org/10.1016/J.JSSC.2018.12.055.
A. Ormeci, Y. Grin, Coexistence of ionic and covalent atomic interactions (bonding inhomogeneity) and thermoelectric properties of intermetallic clathrates, J. Thermoelectr., 6, 16 (2015).
M. Dutta, K. Pal, U. V. Waghmare, K. Biswas, Bonding heterogeneity and lone pair induced anharmonicity resulted in ultralow thermal conductivity and promising thermoelectric properties in n-type AgPbBiSe3, Chem. Sci., 10, 4905(2019); https://doi.org/10.1039/C9SC00485H.
F. Huiying, Environmentally friendly and earth-abundant colloidal chalcogenide nanocrystals for photovoltaic applications, J. Mater. Chem. C., 6, 414 (2018).
F.T. Farheen F.Jaldurgam, Zubair Ahmad, Low-Toxic, Earth-Abundant Nanostructured Materials for Thermoelectric Applications, Nanomaterials. 11, 895 (2021); https://doi.org/10.3390/nano11040895.
M.R. Huch, L.D. Gulay, I.D. Olekseyuk, Crystal structures of the R3Mg0.5GeS7 (R = Y, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho and Er) compounds, J. Alloys Compd., 424, 114 (2006); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2005.12.025.
L.D. Gulay, M. Daszkiewicz, M.R. Huch, A. Pietraszko, Ce3Mg0.5GeS7 from single-crystal data, Acta Crystallogr. Sect. E Struct. Reports Online. 63 (2007); https://doi.org/10.1107/S1600536807048593.
Y. He, T. Day, T. Zhang, H. Liu, X. Shi, L. Chen, G.J. Snyder, High thermoelectric performance in non-toxic earth-abundant copper sulfide, Adv. Mater., 26, 3974 (2014); https://doi.org/10.1002/adma.201400515.
R. Ang, A.U. Khan, N. Tsujii, K. Takai, R. Nakamura, T. Mori, Thermoelectricity Generation and Electron-Magnon Scattering in a Natural Chalcopyrite Mineral from a Deep-Sea Hydrothermal Vent, Angew. Chemie - Int. Ed. 54, 12909 (2015); https://doi.org/10.1002/anie.201505517.
Y. Kim, S.-W. Kang, H.-U. Kim, al -, N. Kryzhanovskaya, A. Zhukov, E. Moiseev, D. Zhang, H.-C. Bai, Z.-L. Li, J.-L. Wang, G.-S. Fu, S.-F. Wang, Multinary diamond-like chalcogenides for promising thermoelectric application*, Chinese Phys. B., 27, 047206 (2018); https://doi.org/10.1088/1674-1056/27/4/047206.
S. Fiechter, M. Martinez, G. Schmidt, W. Henrion, Y. Tomm, Phase relations and optical properties of semiconducting ternary sulfides in the system Cu–Sn–S, J. Phys. Chem. Solids., 64,) 1859 (2003); https://doi.org/10.1016/S0022-3697(03)00172-0.
V. Pavan Kumar, P. Lemoine, V. Carnevali, G. Guélou, O.I. Lebedev, P. Boullay, B. Raveau, R. Al Rahal Al Orabi, M. Fornari, C. Prestipino, D. Menut, C. Candolfi, B. Malaman, J. Juraszek, E. Guilmeau, Ordered sphalerite derivative Cu5Sn2S7: a degenerate semiconductor with high carrier mobility in the Cu–Sn–S diagram, J. Mater. Chem. A., 9, 10812 (2021); https://doi.org/10.1039/D1TA01615F.
C. Bourgès, Y. Bouyrie, A.R. Supka, R. Al Rahal Al Orabi, P. Lemoine, O.I. Lebedev, M. Ohta, K. Suekuni, V. Nassif, V. Hardy, R. Daou, Y. Miyazaki, M. Fornari, E. Guilmeau, High-Performance Thermoelectric Bulk Colusite by Process Controlled Structural Disordering, J. Am. Chem. Soc., 140, 2186 (2018); https://doi.org/10.1021/jacs.7b11224.
R. Chetty, A. Bali, R.C. Mallik, Tetrahedrites as thermoelectric materials: An overview, J. Mater. Chem. C., 3, 12364 (2015); https://doi.org/10.1039/c5tc02537k.
S. Lin, W. Li, Y. Pei, Thermally insulative thermoelectric argyrodites, Mater. Today., 48, 198(2021); https://doi.org/10.1016/J.MATTOD.2021.01.007.
P. Lemoine, G. Guélou, B. Raveau, E. Guilmeau, Crystal Structure Classification of Copper-Based Sulfides as a Tool for the Design of Inorganic Functional Materials, Angew. Chemie Int. Ed., 61, e202108686 (2022); https://doi.org/10.1002/ANIE.202108686.
X. Shen, C.C. Yang, Y. Liu, G. Wang, H. Tan, Y.H. Tung, G. Wang, X. Lu, J. He, X. Zhou, High-Temperature Structural and Thermoelectric Study of Argyrodite Ag 8 GeSe 6, ACS Appl. Mater. Interfaces. 11, 2168 (2019); https://doi.org/10.1021/acsami.8b19819.
F. Baumer, T. Nilges, Phase Segregation of Polymorphic Solid Ion Conducting Cu7PSe6 during Thermoelectric Experiments, Zeitschrift Für Anorg. Und Allg. Chemie. 644, 1519(2018); https://doi.org/10.1002/ZAAC.201800108.
G. Strick, G. Eulenberger, H. Hahn, Über einige quaternäre Chalkogenide mit Spinellstruktur, ZAAC ‐ J. Inorg. Gen. Chem. 357, 338 (1968); https://doi.org/10.1002/zaac.19683570421.
J.J. Snyder, T. Caillat, J.P. Fleurial, Thermoelectric properties of chalcogenides with the spinel structure, Mater. Res. Innov., 5, 67 (2001); https://doi.org/10.1007/s100190100133.
L. Akselrud, Y. Grin, WinCSD: Software package for crystallographic calculations (Version 4), J. Appl. Crystallogr., 47, 803 (2014); https://doi.org/10.1107/S1600576714001058.
K. Momma, F. Izumi, VESTA 3 for three-dimensional visualization of crystal, volumetric and morphology data, J. Appl. Crystallogr., 44, 1272 (2011); https://doi.org/10.1107/S0021889811038970/FULL.
The PC GAMESS/Firefly - REFERENCE, (n.d.).
G.M.J. Barca, C. Bertoni, L. Carrington, D. Datta, N. De Silva, J.E. Deustua, D.G. Fedorov, J.R. Gour, A.O. Gunina, E. Guidez, T. Harville, S. Irle, J. Ivanic, K. Kowalski, S.S. Leang, H. Li, W. Li, J.J. Lutz, I. Magoulas, J. Mato, V. Mironov, H. Nakata, B.Q. Pham, P. Piecuch, D. Poole, S.R. Pruitt, A.P. Rendell, L.B. Roskop, K. Ruedenberg, T. Sattasathuchana, M.W. Schmidt, J. Shen, L. Slipchenko, M. Sosonkina, V. Sundriyal, A. Tiwari, J.L. Galvez Vallejo, B. Westheimer, M. Włoch, P. Xu, F. Zahariev, M.S. Gordon, Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system, J. Chem. Phys. 152, 154102 (2020); https://doi.org/10.1063/5.0005188.
I. V. Horichok, L.I. Nykyruy, T.O. Parashchuk, S.D. Bardashevska, M.P. Pylyponuk, Thermodynamics of defect subsystem in zinc telluride crystals, Mod. Phys. Lett. B., 30, (2016); https://doi.org/10.1142/S0217984916501724.
D. Freik, T. Parashchuk, B. Volochanska, Thermodynamic parameters of CdTe crystals in the cubic phase, J. Cryst. Growth., 402, 90 (2014); https://doi.org/10.1016/J.JCRYSGRO.2014.05.005.
Chemcraft - Graphical program for visualization of quantum chemistry computations, (n.d.).
G.J. Snyder, A.H. Snyder, M. Wood, R. Gurunathan, B.H. Snyder, C. Niu, Weighted Mobility, Adv. Mater. 32, 2001537 (2020); https://doi.org/10.1002/ADMA.202001537.
T. Parashchuk, I. Horichok, A. Kosonowski, O. Cherniushok, P. Wyzga, G. Cempura, A. Kruk, K.T. Wojciechowski, Insight into the transport properties and enhanced thermoelectric performance of n-type Pb1−xSbxTe, J. Alloys Compd., 860, 158355 (2021); https://doi.org/10.1016/J.JALLCOM.2020.158355.
Y. Lang, L. Pan, C. Chen, Y. Wang, Thermoelectric Properties of Thiospinel-Type CuCo2S4, J. Electron. Mater. 48, 4179 (2019); https://doi.org/10.1007/s11664-019-07182-x.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
