JP2010512011A - A method for high explicit numbers in thermoelectric materials with nanostructures - Google Patents

A method for high explicit numbers in thermoelectric materials with nanostructures Download PDF

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Abstract

高い示性数、ZT値をもつ熱電材料が開示されている。このような材料は、多くの場合、材料のZT値を増加する助けになる(例えば、粗粒の境界または粗粒/封入物の境界における界面により音子の散乱を増加することにより)と仮定されるナノサイズのドメイン(例えば、ナノ結晶)を含む。このような材料のZT値は、約1、1.2、1.4、1.5、1.8、2およびそれ以上より大きいことができる。このような材料は、それらからのナノ粒子、または、その後、新規のばら材料に圧密化させることができる(例えば、直流誘導ホットプレスにより)元素から機械的に合金されたナノ粒子、を形成することにより、熱電出発材料から製造することができる。出発材料の限定されない例は、合金することができる、原子の、そして/またはドープすることができる、ビスマス、鉛および/またはケイ素基剤の材料を含む。ナノ構造をもつ熱電材料の態様に関する種々の組成物および方法(例えば、制御ドーピング)が更に開示されている。
【選択図】 なし
Thermoelectric materials with high modulus numbers and ZT values are disclosed. Such materials are often assumed to help increase the ZT value of the material (eg, by increasing phonon scattering by the interface at the coarse grain boundary or the coarse / inclusion interface). Containing nanosized domains (eg, nanocrystals). The ZT value of such materials can be greater than about 1, 1.2, 1.4, 1.5, 1.8, 2, and more. Such materials form nanoparticles from them or nanoparticles mechanically alloyed from the elements that can then be consolidated into new bulk materials (eg, by direct current induction hot pressing). Can be produced from thermoelectric starting materials. Non-limiting examples of starting materials include bismuth, lead and / or silicon based materials that can be alloyed, atomic and / or doped. Further disclosed are various compositions and methods (eg, controlled doping) relating to embodiments of thermoelectric materials having nanostructures.
[Selection figure] None

Description

関連出願の相互参照Cross-reference of related applications

本出願は「高い熱電示性数をもつナノ複合物」と題する、2004年10月29日出願の米国特許出願第10/977,363号の部分継続出願であり、「ナノ構造をもつ熱電材料における高い示性数のための方法」と題する、2006年12月1日出願の米国特許仮出願第60/872,242号の利益を主張する。これらすべての出願書の内容はそれらの全体を参照により本明細書に引用されたこととする。   This application is a continuation-in-part of US patent application Ser. No. 10 / 977,363, filed Oct. 29, 2004, entitled “Nanocomposites with high thermoelectric properties”. Claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 60 / 872,242, filed Dec. 1, 2006, entitled "Method for High Indicative Numbers". The contents of all these applications are hereby incorporated by reference in their entirety.

本出願書は一般的に、熱電材料およびそれらの加工法、そして更に具体的には、高い熱電特性を示すような熱電材料に関する。   The present application generally relates to thermoelectric materials and methods for their processing, and more specifically to such thermoelectric materials that exhibit high thermoelectric properties.

あらゆる材料の熱電特性はZ=Sσ/k[ここで、Sはゼーベック(Seebeck)係数であり、σは電気伝導度であり、そしてkは総熱伝導度である]として定義される、示性数Z(または無次元の示性数ZT)と呼ばれる量により特徴を表すことができる。高いZT値をもつ(例えば、低い熱伝導度kおよび/または高い力率Sσをもつ)材料を構成することが望ましい。一例として、このような材料は高い質の発電装置および冷却装置を構成するために使用することができる可能性がある。 The thermoelectric property of any material is defined as Z = S 2 σ / k, where S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, and k is the total thermal conductivity, A feature can be represented by an amount called the figure number Z (or dimensionless figure number ZT). It is desirable to construct materials with high ZT values (eg, with low thermal conductivity k and / or high power factor S 2 σ). As an example, such materials could be used to construct high quality power generation and cooling devices.

1つの態様において、本発明は熱電バルク材料のような出発材料から複数のナノ粒子を生成し、そしてこれらのナノ粒子を高温で圧力下で圧密化して、例えば約2000℃未満、約1000℃未満、約600℃未満、約200℃未満または約20℃未満の温度で、熱電出発材料より高いZT値を示す熱電材料を形成する工程により、熱電材料を加工する方法に関する。場合により、形成される材料のピークZT値は、出発材料のピークZT値より約25%〜約1000%大きいことができる。他の場合には、形成される材料のピークZT値は、出発材料のピークZTの1000%より実質的に大きいことができる。   In one embodiment, the present invention produces a plurality of nanoparticles from a starting material, such as a thermoelectric bulk material, and the nanoparticles are consolidated under pressure at an elevated temperature, for example, less than about 2000 ° C., less than about 1000 ° C. Relates to a method of processing a thermoelectric material by forming a thermoelectric material that exhibits a higher ZT value than a thermoelectric starting material at a temperature of less than about 600 ° C., less than about 200 ° C., or less than about 20 ° C. In some cases, the peak ZT value of the formed material can be about 25% to about 1000% greater than the peak ZT value of the starting material. In other cases, the peak ZT value of the material formed can be substantially greater than 1000% of the peak ZT of the starting material.

用語「ナノ粒子」は一般に当該技術分野で知られており、それは本明細書では、約1nm〜約1000nmの範囲内のような、約1ミクロン未満のサイズ(例えば平均または最大サイズ)をもつ材料の粒子を表すために使用される。サイズは好ましくは、約500ナノメーター(nm)未満、好ましくは約1〜約200nmの範囲内、そしてより好ましくは約1〜約100nmの範囲内であることができる。ナノ粒子は例えば、出発材料をナノサイズ片に破壊することにより(例えば、乾式粉砕、湿式粉砕または他の適当な方法のいずれかを使用する粉砕により)生成することができる。一例として、所望のナノ粒子を達成するためにボールミル粉砕法を使用することができる。粒子のサイズを更に縮小するために、ナノ粒子を生成中に、場合により、更に冷却を使用することができる(例えば、粉砕中に出発材料を冷却することができる)。ナノ粒子生成の幾つかの他の方法は、気相からの凝縮、湿式化学法およびナノ粒子を形成する他の方法を含むことができる。場合により、異なる元素材料(例えば、ビスマスまたはテルル)のナノ粒子を別々に生成し、その後、更に以下に考察されるように、生成される熱電材料に圧密化することができる。   The term “nanoparticle” is generally known in the art, and as used herein is a material having a size (eg, average or maximum size) of less than about 1 micron, such as in the range of about 1 nm to about 1000 nm. Used to represent particles. The size can preferably be less than about 500 nanometers (nm), preferably in the range of about 1 to about 200 nm, and more preferably in the range of about 1 to about 100 nm. Nanoparticles can be produced, for example, by breaking the starting material into nanosized pieces (eg, by dry grinding, wet grinding, or grinding using any other suitable method). As an example, a ball milling method can be used to achieve the desired nanoparticles. In order to further reduce the size of the particles, additional cooling can optionally be used during the production of the nanoparticles (eg, the starting material can be cooled during milling). Some other methods of nanoparticle production can include condensation from the gas phase, wet chemical methods, and other methods of forming nanoparticles. Optionally, nanoparticles of different elemental materials (eg, bismuth or tellurium) can be produced separately and then consolidated into the resulting thermoelectric material as discussed further below.

ナノ粒子は、生成される熱電材料を形成するために十分なナノ粒子間の電気的結合を誘発するように、選択された温度および選択された圧力下で圧密化することができる。一例として、ナノ粒子の圧密化を達成するために、電流誘発ホットプレス(プラズマ圧力圧縮、「PC」またはスパークプラズマ焼結、SPSとしても知られている)、単方向性ホットプレスおよびアイソスタチックホットプレス法を含むホットプレスを使用することができる。選択される圧力は例えば、約10MPa〜約900MPaの範囲内、または約40MPa〜約300MPaの範囲内、そして好ましくは約60MPa〜約200MPaの範囲内にあることができる。選択される温度は例えば、BiTe基材料の場合には、約200℃〜熱電材料のほぼ融点までの間の温度範囲内(例えば、200℃〜約2000℃)、または約400℃〜約1200℃の範囲内、または約400℃〜約600℃の範囲内、または約400℃〜約550℃の範囲内にあることができる。 The nanoparticles can be consolidated under a selected temperature and selected pressure to induce sufficient electrical coupling between the nanoparticles to form the thermoelectric material produced. As an example, current induced hot pressing (also known as plasma pressure compression, “P 2 C” or spark plasma sintering, SPS), unidirectional hot pressing and iso- Hot presses including the static hot press method can be used. The selected pressure can be, for example, in the range of about 10 MPa to about 900 MPa, or in the range of about 40 MPa to about 300 MPa, and preferably in the range of about 60 MPa to about 200 MPa. The temperature selected is, for example, in the temperature range between about 200 ° C. to about the melting point of the thermoelectric material (eg, 200 ° C. to about 2000 ° C.), or about 400 ° C. to about 2 ° C. for Bi 2 Te 3 based materials. It can be in the range of about 1200 ° C, or in the range of about 400 ° C to about 600 ° C, or in the range of about 400 ° C to about 550 ° C.

前記の方法における関連態様において、ナノ粒子を圧密化する工程は、それぞれの理論的密度の約90%〜約100%の範囲内の密度(例えば、約10%未満〜約1%未満の空隙率)を示す材料を提供するようにナノ粒子を圧密化する工程を表す。   In a related embodiment of the above method, the step of consolidating the nanoparticles comprises a density within the range of about 90% to about 100% of the respective theoretical density (eg, a porosity of less than about 10% to less than about 1%. ) Represents the step of compacting the nanoparticles to provide a material exhibiting

関連態様において、前記に考察されたような本発明の方法により生成される熱電材料は約1を超える、または約1.2を超える、または約1.4を超える、そして好ましくは約1.5を超える、そしてもっとも好ましくは約2を超えるZT値(例えば、ピークZT値)を示す。更に、多数の実施態様において、熱電材料は、例えば材料の融点に左右される可能性がある特定の作業温度(operating temperature)において、例えばBiTe−基材料に対して約300℃未満の温度において高いZT値を示す。高いZT値はまた、ドーピングレベルおよび/または材料の微細構造に左右され得る。 In related embodiments, the thermoelectric material produced by the method of the present invention as discussed above is greater than about 1, or greater than about 1.2, or greater than about 1.4, and preferably about 1.5. And most preferably greater than about 2 ZT values (eg, peak ZT values). Further, in many embodiments, the thermoelectric material is at a specific operating temperature that may depend, for example, on the melting point of the material, eg, less than about 300 ° C. for a Bi 2 Te 3 -based material. High ZT value at temperature. High ZT values can also depend on the doping level and / or the microstructure of the material.

多くの場合、出発熱電材料(例えば、出発バルク材料または、粒子を合成するための流体相の材料)は、約1未満、そして場合により約0.1を超えるZTを示し、そして出発材料からナノ粒子を生成し(例えば、粉砕または他の適当な方法により出発材料を破壊し)、そしてこれらのナノ粒子を圧密化することにより得られる最終熱電材料は、約1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5または2を超えるZT値を示す。   In many cases, the starting thermoelectric material (eg, starting bulk material or fluid phase material for synthesizing particles) exhibits a ZT of less than about 1, and optionally more than about 0.1, and is nano-sized from the starting material. The final thermoelectric material obtained by generating particles (eg, breaking the starting material by grinding or other suitable method) and consolidating these nanoparticles is about 1, 1.1, 1.2. ZT values exceeding 1.3, 1.4, 1.5 or 2 are indicated.

発明の実施における出発材料としては種々の熱電材料を使用することができる。出発熱電材料はp−ドープまたはn−ドープすることができる。代表的な出発熱電材料は、限定はされないが、ビスマス−基剤、鉛−基剤またはケイ素−基材料を含む。例えば、出発熱電材料はビスマス−アンチモン−テルルの合金、ビスマス−セレン−テルルの合金、鉛−テルルの合金、鉛−セレンの合金またはケイ素−ゲルマニウムの合金(例えば、SiGe)を含んでなることができる。一例として、幾つかの実施態様において、熱電材料はBiTe3−xSe[ここでxは約0〜約0.8の範囲内にある]の合金であることができる。あるいはまた、幾つかの他の実施態様において、熱電材料はBiSb2−xTe[ここでxは約0〜約0.8の範囲内にある]の合金であることができる。幾つかの実施態様において、場合により、平均結晶粒度(grain size)(例えば、約1ミクロンより大きい)を含むことができる、多結晶構造を有する出発熱電材料を使用することができる。 Various thermoelectric materials can be used as starting materials in the practice of the invention. The starting thermoelectric material can be p-doped or n-doped. Exemplary starting thermoelectric materials include, but are not limited to, bismuth-based, lead-based or silicon-based materials. For example, the starting thermoelectric material may comprise a bismuth-antimony-tellurium alloy, a bismuth-selenium-tellurium alloy, a lead-tellurium alloy, a lead-selenium alloy, or a silicon-germanium alloy (eg, SiGe). it can. As an example, in some embodiments, the thermoelectric material can be an alloy of Bi 2 Te 3-x Se x, where x is in the range of about 0 to about 0.8. Alternatively, in some other embodiments, the thermoelectric material can be an alloy of Bi x Sb 2-x Te 3 [ where x is in the range of about 0 to about 0.8. In some embodiments, a starting thermoelectric material having a polycrystalline structure that can optionally include an average grain size (eg, greater than about 1 micron) can be used.

他の態様において、ナノ粒子は、生成されるナノ粒子が約1000nm未満、または約500nm未満、または約200nm未満、そして好ましくは約100nm未満、例えば約1nm〜約200nmの範囲内、または約1nm〜約100nmの範囲内、そして好ましくは約1nm〜約50nmの範囲内のサイズ(例えば、平均または最大サイズ)を有するように、出発熱電材料から生成することができる。このような粒度は、ボールミルまたは他の適当な方法により出発材料を粉砕する工程のような、本明細書で考察されたあらゆる方法により生成することができる。   In other embodiments, the nanoparticles are produced in less than about 1000 nm, or less than about 500 nm, or less than about 200 nm, and preferably less than about 100 nm, such as in the range of about 1 nm to about 200 nm, or about 1 nm to It can be generated from the starting thermoelectric material to have a size (eg, average or maximum size) in the range of about 100 nm, and preferably in the range of about 1 nm to about 50 nm. Such a particle size can be produced by any method discussed herein, such as grinding the starting material by a ball mill or other suitable method.

前記の方法における関連態様において、結果的に高められた熱電特性をもつ熱電材料を生成するために、ナノ粒子は一定期間、例えば、約1秒〜約10時間、圧力下、高温下に維持される。他の態様において、ナノ粒子は、結果的に熱電材料を形成されるために十分
な時間、低圧または外気圧下に維持されながら、選択される温度に暴露される。他の態様において、ナノ粒子は高圧下、室温で圧密化されて、高い理論密度(例えば、約100%)をもつ試料を形成し、次に高温で焼なまし(anneal)されて最終熱電材料を形成することができる。
In a related aspect of the above method, the nanoparticles are maintained under pressure and elevated temperature for a period of time, for example from about 1 second to about 10 hours, to produce a thermoelectric material with resultant enhanced thermoelectric properties. The In other embodiments, the nanoparticles are exposed to a selected temperature while being maintained at low pressure or atmospheric pressure for a time sufficient to result in the formation of a thermoelectric material. In other embodiments, the nanoparticles are consolidated at room temperature under high pressure to form a sample with a high theoretical density (eg, about 100%) and then annealed at a high temperature to produce a final thermoelectric material. Can be formed.

他の態様は、複数のナノ粒子を生成する工程を含む熱電材料を形成する方法に関する。一例として、粒子は1種または複数のバルクの元素材料を粉砕する工程により生成することができる。例えば、ナノ粒子は、あらゆる作業可能な割合の、ビスマスおよびテルル、ビスマスおよびセレン、アンチモンおよびテルル、アンチモンおよびセレン、並びにケイ素およびゲルマニウムのような、少なくとも2種の異なるバルクの元素材料を粉砕する工程により生成することができる。このような場合には、少なくとも2種のナノ粒子を形成することができる。異なる種類の粒子が別々に生成される場合は、粒子を混合して、更に粉砕して(例えば、ボールミル)、機械的に合金された粒子を形成することができる。あるいはまた、種々のバルク材料をすべて同時に粉砕して、機械的に合金された粒子を形成することができる。機械的合金形成を使用して形成されたナノ粒子または、元素、化合物または合金から別々に生成されたナノ粒子の混合物は圧力下および高温下で圧密化されて、約1より大きいZT値を示す熱電材料を結果的に生成することができる。場合により、混合物にドーパントを添加することができる。他の実施態様において、ナノ粒子は、良好なZT値(例えば、約0.5を超える)をもつ原料材料からの粒子および/またはミクロンサイズの粒子(例えば、約1ミクロン〜約10、50、100もしくは500ミクロンの平均サイズをもつ粒子)のような、他の種類の粒子とともに圧密化することができる。   Another aspect relates to a method of forming a thermoelectric material that includes generating a plurality of nanoparticles. As an example, the particles can be generated by a process of grinding one or more bulk elemental materials. For example, nanoparticles can grind at any workable proportion of at least two different bulk elemental materials, such as bismuth and tellurium, bismuth and selenium, antimony and tellurium, antimony and selenium, and silicon and germanium. Can be generated. In such a case, at least two types of nanoparticles can be formed. If the different types of particles are produced separately, the particles can be mixed and further ground (eg, a ball mill) to form mechanically alloyed particles. Alternatively, the various bulk materials can all be ground simultaneously to form mechanically alloyed particles. Nanoparticles formed using mechanical alloying or a mixture of nanoparticles produced separately from elements, compounds or alloys are consolidated under pressure and elevated temperature to exhibit a ZT value greater than about 1 A thermoelectric material can be produced as a result. Optionally, a dopant can be added to the mixture. In other embodiments, the nanoparticles are particles from a source material with good ZT values (eg, greater than about 0.5) and / or micron-sized particles (eg, from about 1 micron to about 10, 50, It can be consolidated with other types of particles, such as particles having an average size of 100 or 500 microns.

他の態様において、その構造物が約1を超えるZT値(例えば、ピークZT値)、そして好ましくは約1.2を超える、または約1.5を超える、または更に約2を超えるZT値を示す、約1nm〜約500nmの範囲内の平均サイズを有する複数の封入物(inclusions)を含んでなる材料の構造物を含む熱電材料が提供される。   In other embodiments, the structure has a ZT value greater than about 1 (eg, a peak ZT value), and preferably greater than about 1.2, or greater than about 1.5, or even greater than about 2. A thermoelectric material is provided that includes a structure of material comprising a plurality of inclusions having an average size in the range of about 1 nm to about 500 nm.

関連態様において、熱電材料は約2000℃未満、または約1000℃未満、または約600℃未満、または約200℃未満、または約20℃未満の温度で前記のZT値を示すことができる。更に、平均粒度(grain size)は約1〜約500nmの範囲内にあることができる。構造物は約500nmより大きい粗粒を実質的に含まない(例えば、約500nmを超える平均および/または最大ディメンションを有する粗粒を実質的に含まない)か、あるいは幾つかのより大きい(例えば、約1μmより大きい粒度の)粗粒を含むことができる。   In related embodiments, the thermoelectric material can exhibit the ZT value at a temperature of less than about 2000 ° C, or less than about 1000 ° C, or less than about 600 ° C, or less than about 200 ° C, or less than about 20 ° C. Further, the average particle size can be in the range of about 1 to about 500 nm. The structure is substantially free of coarse grains greater than about 500 nm (eg, substantially free of coarse grains having an average and / or maximum dimension greater than about 500 nm), or some larger (eg, Coarse grains (with a particle size greater than about 1 μm) can be included.

他の態様において、1個または複数の粗粒は、例えば、約1〜約50nmの範囲内、または約1nm〜約20nmの範囲内のサイズをもつことができる、1個または複数の沈殿物領域または他の封入物をその中に含む。沈殿物領域は異なる組成物および/または同一組成物であるが、異なる結晶方向、および/または粒子の残りに対して異なる相により特徴付けることができる。   In other embodiments, the one or more coarse grains can have a size, for example, in the range of about 1 to about 50 nm, or in the range of about 1 nm to about 20 nm. Or other inclusions are included therein. The precipitate regions are different compositions and / or the same composition, but can be characterized by different crystal orientations and / or different phases for the rest of the particles.

他の態様において、熱電材料はそれぞれの理論的密度の約90%〜約100%の範囲内の密度をもつことができる。一例として、熱電材料は約10%未満、そして好ましくは約1%未満の空隙率を示すことができる。   In other embodiments, the thermoelectric material can have a density in the range of about 90% to about 100% of the respective theoretical density. As an example, the thermoelectric material can exhibit a porosity of less than about 10%, and preferably less than about 1%.

関連態様において、熱電材料は相互に対してランダムに配向された小型結晶の粗粒(small crystalline grains)で形成された(例えば、約500nm未満、または約200nm未満、そして好ましくは約1nm〜約100nmの範囲内の平均サイズをもつ)多結晶構造を示す。   In related embodiments, the thermoelectric material is formed of small crystalline grains that are randomly oriented with respect to each other (eg, less than about 500 nm, or less than about 200 nm, and preferably from about 1 nm to about 100 nm). A polycrystalline structure (with an average size in the range).

発明の1つの態様は、複数の粗粒を有する材料構造物を含むことができる熱電材料に関する。粗粒は約1ミクロン〜約10ミクロンの範囲内、または約1ミクロン〜約5ミクロンの範囲内、または約1ミクロン〜約2ミクロンの範囲内の平均サイズをもつことができる。少なくとも幾つかの粗粒は、1個または複数の沈殿物領域あるいは他の種類の封入物を含むことができる。このような領域は約1nm〜約100nm、または約1nm〜約50nmの平均サイズをもつことができる。熱電材料は約1、1.2、1.5または2を超えるZT値をもつことができる。例えば、ZT値はまた、約1〜約5の範囲内にあることができる。熱電材料は約2000℃未満、または約1000℃未満、または約600℃未満、または約200℃未満、または約20℃未満の作業温度でそのようなZT値を示すことができる。粗粒はビスマス−基合金、鉛−基合金およびケイ素−基合金のあらゆる組み合わせ物のような種々の材料から形成することができる。   One aspect of the invention relates to a thermoelectric material that can include a material structure having a plurality of coarse grains. The coarse particles can have an average size in the range of about 1 micron to about 10 microns, or in the range of about 1 micron to about 5 microns, or in the range of about 1 micron to about 2 microns. At least some of the coarse grains can include one or more precipitate regions or other types of inclusions. Such regions can have an average size of about 1 nm to about 100 nm, or about 1 nm to about 50 nm. The thermoelectric material can have a ZT value greater than about 1, 1.2, 1.5 or 2. For example, the ZT value can also be in the range of about 1 to about 5. Thermoelectric materials can exhibit such ZT values at operating temperatures of less than about 2000 ° C, or less than about 1000 ° C, or less than about 600 ° C, or less than about 200 ° C, or less than about 20 ° C. Coarse grains can be formed from a variety of materials such as any combination of bismuth-based alloys, lead-based alloys and silicon-based alloys.

発明の他の態様は、ホスト全体に複数の封入物または粒子を分散させているホスト材料を含む熱電材料に到達される。粒子または封入物は一定の閾値未満、例えば、約20ミクロン未満のサイズをもつことができる。ホスト材料は、その少なくとも幾つかの粗粒が約1ミクロンを超える、または約1ミクロン未満のサイズ(例えば、あらゆるディメンションの最大粒度および/または平均サイズ)をもつ、1個または複数の粗粒を含むことができる。幾つかの実施態様において、ホスト材料中の、例えば、50%、80%、90%、そして好ましくは99%を超える大部分の電荷担体(charge carrier)が、これらの封入物の存在によるために、ホスト材料は典型的な熱電材料におけるほど高度にドープされていない。幾つかの実施態様において、粒子はホスト材料より高度にドープされることができる。熱電材料は粒子または封入物が存在しないホスト材料の担体濃度および/または電荷担体の移動性のそれぞれより大きい担体濃度および/または電荷担体の移動性、並びにその結果、より高い力率(Sσ)を示すことができる。更に、またはそれに代り、熱電材料は、対応する電荷担体の種類に対するホスト材料の関連エネルギー帯に比較してより高いエネルギーをもつ、電荷担体の種類に対するエネルギー帯(例えば、伝導帯または価電子帯)を有する封入物により特徴付けることができる。熱電材料は場合により、熱電材料に関して本明細書で考察された多数の特性を含むことができる。例えば、熱電材料は約1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5または2より大きいZT値を示すことができる。 Another aspect of the invention reaches a thermoelectric material comprising a host material having a plurality of inclusions or particles dispersed throughout the host. The particles or inclusions can have a size below a certain threshold, for example, less than about 20 microns. The host material comprises one or more coarse particles having a size (eg, maximum particle size and / or average size of any dimension) of which at least some of the coarse particles are greater than about 1 micron or less than about 1 micron. Can be included. In some embodiments, the majority of charge carriers in the host material, eg, greater than 50%, 80%, 90%, and preferably 99%, are due to the presence of these inclusions. The host material is not as highly doped as in typical thermoelectric materials. In some embodiments, the particles can be more highly doped than the host material. Thermoelectric materials have a higher carrier concentration and / or charge carrier mobility than the host material carrier concentration and / or charge carrier mobility, respectively, in the absence of particles or inclusions, and consequently higher power factor (S 2 σ ). Additionally or alternatively, the thermoelectric material has an energy band (eg, conduction band or valence band) for the charge carrier type that has a higher energy compared to the associated energy band of the host material for the corresponding charge carrier type. Can be characterized by inclusions having The thermoelectric material can optionally include a number of properties discussed herein with respect to the thermoelectric material. For example, the thermoelectric material can exhibit a ZT value greater than about 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, or 2.

本発明の幾つかの実施態様は、必ずしも実測値に描かれてはいない、以下の図面を参照してより良く理解することができる。
本発明の幾つかの実施態様に従う、幾つかの粗粒が1個または複数の沈殿物領域を含む、熱電材料中の複数の粗粒のスキームである。 本発明の幾つかの実施態様に従う、その中に包埋された封入物を伴うホスト材料のスキーム図である。 図1Bに表された材料の伝導エネルギー図のスキームである。 幾つかの実施態様に従う、ボールミル粉砕により調製されたp−型のBiSbTeナノ粒子のXRD図である。 図2のp−型のBiSbTeナノ粒子のSEM画像である。 図2のBiSbTeナノ粒子の比較的低解像度のTEM顕微鏡写真である。 図3Bに示されるBiSbTeナノ粒子の比較的高解像度のTEM顕微鏡写真である。 本発明の幾つかの実施態様とともに使用することができる、DCホットプレス(プラズマ圧力またはスパークプラズマ焼結法)の図および写真である。 図2の粒子から調製された熱電材料および、幾つかの実施態様に従うp−型のBiSbTe合金の現在の技術水準のバルク材料の電気伝導度の温度依存性を表すグラフである。 図2の粒子から調製された熱電材料および、幾つかの実施態様に従うp−型のBiSbTe合金の現在の技術水準のバルク材料のゼーベック係数の温度依存性を表すグラフである。 図2の粒子から調製された熱電材料および、幾つかの実施態様に従うp−型のBiSbTe合金の現在の技術水準のバルク材料の力率の温度依存性を表すグラフである。 図2の粒子から調製された熱電材料および、幾つかの実施態様に従うp−型のBiSbTe合金の現在の技術水準のバルク材料の熱伝導度の温度依存性を表すグラフである。 図2の粒子から調製された熱電材料および、幾つかの実施態様に従うp−型のBiSbTe合金の現在の技術水準のバルク材料の、示性数、ZTの温度依存性を表すグラフである。 図2の粒子から調製された熱電材料のTEM顕微鏡写真である。 密に充填されたナノ粒子のナノサイズを示す、図2の粒子から調製された熱電材料の拡大TEM顕微鏡写真である。 図11に示されるナノ粒子より大型粗粒の存在を示す、図2の粒子から調製された熱電材料のTEM顕微鏡写真である。 ナノドットの存在を示す、図2の粒子から調製された熱電材料のTEM顕微鏡写真である。 小角度境界をもつナノドットの存在を示す、図2の粒子から調製された熱電材料のTEM顕微鏡写真である。 Te沈殿物を示す、図2の粒子から調製された熱電材料のTEM顕微鏡写真であり、図の挿入図はTe沈殿物の電子回折図を示す。 幾つかの実施態様に従う、p−型のSiGeバルク出発材料から調製された熱電材料の電気伝導度の温度依存性を表すグラフである。 幾つかの実施態様に従う、p−型のSiGeバルク出発材料から調製された熱電材料のゼーベック係数の温度依存性を表すグラフである。 幾つかの実施態様に従う、p−型のSiGeバルク出発材料から調製された熱電材料の熱伝導度の温度依存性を表すグラフである。 幾つかの実施態様に従う、p−型のSiGeバルク出発材料から調製された熱電材料の示性数、ZTの温度依存性を表すグラフである。 幾つかの実施態様に従う、n−型のSiGeバルク出発材料から調製された熱電材料の電気伝導度の温度依存性を表すグラフである。 幾つかの実施態様に従う、n−型のSiGeバルク出発材料から調製された熱電材料のゼーベック係数の温度依存性を表すグラフである。 幾つかの実施態様に従う、n−型のSiGeバルク出発材料から調製された熱電材料の熱伝導度の温度依存性を表すグラフである。 幾つかの実施態様に従う、n−型のSiGeバルク出発材料から調製された熱電材料の示性数、ZTの温度依存性を表すグラフである。 本発明の幾つかの実施態様に従う、SiGeバルク出発材料のボールミル試料のTEM顕微鏡写真である。 挿入図が試料上の対応する電子回折図を示す、ホットプレス後の図24の粒子のTEM顕微鏡写真である。 図25に示されるホットプレス試料の高解像度のTEM顕微鏡写真である。 幾つかの実施態様に従う、p−型のBi0.3Sb1.7Teのバルク出発材料から調製された熱電材料の電気伝導度の温度依存性を表すグラフである。 幾つかの実施態様に従う、p−型のBi0.3Sb1.7Teのバルク出発材料から調製された熱電材料のゼーベック係数の温度依存性を表すグラフである。 幾つかの実施態様に従う、p−型のBi0.3Sb1.7Teのバルク出発材料から調製された熱電材料の熱伝導度の温度依存性を表すグラフである。 幾つかの実施態様に従う、p−型のBi0.3Sb1.7Teのバルク出発材料から調製された熱電材料の示性数、ZTの温度依存性を表すグラフである。 幾つかの実施態様に従う、p−型のBi0.5Sb1.5Teのバルク出発材料から調製された熱電材料の電気伝導度の温度依存性を表すグラフである。 幾つかの実施態様に従う、p−型のBi0.5Sb1.5Teのバルク出発材料から調製された熱電材料のゼーベック係数の温度依存性を表すグラフである。 幾つかの実施態様に従う、p−型のBi0.5Sb1.5Teのバルク出発材料から調製された熱電材料の熱伝導度の温度依存性を表すグラフである。 幾つかの実施態様に従う、p−型のBi0.5Sb1.5Teのバルク出発材料から調製された熱電材料の示性数、ZTの温度依存性を表すグラフである。
Some embodiments of the present invention can be better understood with reference to the following drawings, which are not necessarily drawn to actual measurements.
FIG. 5 is a scheme of multiple coarse grains in a thermoelectric material, where some coarse grains include one or more precipitate regions, in accordance with some embodiments of the present invention. FIG. 3 is a schematic diagram of a host material with an inclusion embedded therein, according to some embodiments of the present invention. 1B is a scheme of the conduction energy diagram of the material represented in FIG. 1B. FIG. 4 is an XRD diagram of p-type BiSbTe nanoparticles prepared by ball milling, according to some embodiments. 3 is a SEM image of the p-type BiSbTe nanoparticles of FIG. 3 is a relatively low resolution TEM micrograph of the BiSbTe nanoparticles of FIG. 3B is a relatively high resolution TEM micrograph of BiSbTe nanoparticles shown in FIG. 3B. 2 is a diagram and photograph of a DC hot press (plasma pressure or spark plasma sintering process) that can be used with some embodiments of the present invention. FIG. 3 is a graph illustrating the temperature dependence of the electrical conductivity of a current state of the art bulk material of a thermoelectric material prepared from the particles of FIG. 2 and a p-type BiSbTe alloy according to some embodiments. FIG. 3 is a graph representing the temperature dependence of the Seebeck coefficient of a current state of the art bulk material of a thermoelectric material prepared from the particles of FIG. 2 and a p-type BiSbTe alloy according to some embodiments. FIG. 3 is a graph depicting the temperature dependence of the power factor of a current state of the art bulk material of a thermoelectric material prepared from the particles of FIG. 2 and a p-type BiSbTe alloy according to some embodiments. FIG. 3 is a graph representing the temperature dependence of the thermal conductivity of a current state of the art bulk material of a thermoelectric material prepared from the particles of FIG. 2 and a p-type BiSbTe alloy according to some embodiments. FIG. 3 is a graph showing the temperature dependence of ZT of thermoelectric materials prepared from the particles of FIG. 2 and the current state of the art bulk material of p-type BiSbTe alloys according to some embodiments. 3 is a TEM micrograph of a thermoelectric material prepared from the particles of FIG. 3 is an enlarged TEM micrograph of a thermoelectric material prepared from the particles of FIG. 2 showing the nanosize of the closely packed nanoparticles. FIG. 12 is a TEM micrograph of a thermoelectric material prepared from the particles of FIG. 2, showing the presence of larger coarse particles than the nanoparticles shown in FIG. FIG. 3 is a TEM micrograph of a thermoelectric material prepared from the particles of FIG. 2 showing the presence of nanodots. 3 is a TEM micrograph of a thermoelectric material prepared from the particles of FIG. 2 showing the presence of nanodots with small angle boundaries. FIG. 3 is a TEM micrograph of a thermoelectric material prepared from the particles of FIG. 2 showing a Te precipitate, where the inset in the figure shows an electron diffraction pattern of the Te precipitate. 6 is a graph depicting the temperature dependence of the electrical conductivity of a thermoelectric material prepared from a p-type SiGe bulk starting material, according to some embodiments. 2 is a graph depicting the temperature dependence of the Seebeck coefficient for thermoelectric materials prepared from p-type SiGe bulk starting material, according to some embodiments. 2 is a graph depicting the temperature dependence of the thermal conductivity of a thermoelectric material prepared from a p-type SiGe bulk starting material, according to some embodiments. FIG. 4 is a graph illustrating the temperature dependence of ZT, the thermometric material prepared from p-type SiGe bulk starting material, according to some embodiments. 6 is a graph depicting the temperature dependence of the electrical conductivity of thermoelectric materials prepared from n-type SiGe bulk starting materials, according to some embodiments. 2 is a graph depicting the temperature dependence of the Seebeck coefficient for thermoelectric materials prepared from n-type SiGe bulk starting material, according to some embodiments. 6 is a graph depicting the temperature dependence of the thermal conductivity of thermoelectric materials prepared from n-type SiGe bulk starting materials, according to some embodiments. FIG. 6 is a graph showing the temperature dependence of ZT, the thermoelectric material prepared from n-type SiGe bulk starting material, according to some embodiments. 2 is a TEM micrograph of a ball mill sample of SiGe bulk starting material, in accordance with some embodiments of the present invention. FIG. 25 is a TEM micrograph of the particles of FIG. 24 after hot pressing, with the inset showing the corresponding electron diffraction pattern on the sample. It is a high-resolution TEM micrograph of the hot press sample shown in FIG. 6 is a graph depicting the temperature dependence of the electrical conductivity of thermoelectric materials prepared from bulk starting materials of p-type Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 according to some embodiments. 6 is a graph depicting the temperature dependence of the Seebeck coefficient of thermoelectric materials prepared from bulk starting material of p-type Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 according to some embodiments. 6 is a graph depicting the temperature dependence of the thermal conductivity of a thermoelectric material prepared from a bulk starting material of p-type Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 according to some embodiments. FIG. 4 is a graph showing the temperature dependence of ZT, a thermoelectric material prepared from bulk starting material of p-type Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 according to some embodiments. 6 is a graph depicting the temperature dependence of the electrical conductivity of a thermoelectric material prepared from p-type Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 bulk starting material, according to some embodiments. 6 is a graph illustrating the temperature dependence of the Seebeck coefficient of thermoelectric materials prepared from bulk starting material of p-type Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 according to some embodiments. 6 is a graph depicting the temperature dependence of the thermal conductivity of a thermoelectric material prepared from a bulk starting material of p-type Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 according to some embodiments. FIG. 6 is a graph showing the temperature dependence of ZT, the thermoelectric material prepared from bulk starting material of p-type Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 according to some embodiments.

発明の詳細な説明Detailed Description of the Invention

1つの態様において、本発明は、高いZT値をもつ熱電材料およびこのような材料の製法に関する。一般に、このような熱電材料は典型的には、複数の粗粒を含んでなる。このような粗粒は例えば、出発熱電材料のようなバルク材料から得ることができるナノサイズの粗粒の形態にあることができる。本発明の実施態様に従う熱電材料は一般に、種々のサイズの粗粒を含むことができる。例えば、熱電材料は1μmより大きい幾つかの粗粒および1μmより小さい幾つかの粗粒を含むことができる。幾つかの実施態様において、熱電材料は材料のZT値に不都合に影響を与える可能性がある粗粒を実質的に含まないことができる(例えば、約5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%または50%を超えるだけ全材料のZT値を減少させることができる不都合な粗粒を実質的に含まない)。幾つかの実施態様は、ミクロンの次元の(例えば、約1ミクロンを超える)平均粒度をもつ複数の粗粒を含む熱電材料に関する。幾つかの場合には、該材料は大型粗粒を実質的に含まない可能性がある。限定されない例は、約5000nm、1000nm、300nm、100nm、50nm、20nmまたは10nmより大きい粗粒を実質的に含まない例を含む。多くの場合、このような粗粒は場合により、例えば、約1nm〜約50nmの範囲内の平均サイズを有する1個または複数の沈殿物領域または他のタイプの封入物を含むことができる。幾つかの好適な実施態様において、少なくとも幾つかの、そして好ましくは実質的にすべての粗粒が沈殿物領域、ナノ粒子および/または他のタイプの封入物を含み、これらの種々の封入物は、化学反応により、そして/またはこのような封入物の挿入により、インサイチューで形成されることができる。更なる実施態様は、幾つかの粗粒が場合により沈殿物領域または他のタイプの封入物を含むことができる、複数の粒度をもつ材料(例えば、少なくとも幾つかのナノサイズの粗粒および幾つかの1ミクロンを超える粗粒)に関する。言い換えると、本発明の熱電材料は沈殿物領域を含んでも含まなくてもサブミクロンのサイズの粗粒、沈殿物領域を含んでも含まなくても1ミクロンを超える粗粒(例えば、制御ドーピング(modulation doping)を使用して)、または沈殿物領域を含んでも含まなくてもサブミクロンの粗粒および1ミクロンを超える粗粒の混合物、のあらゆる組み合わせ物を含むことができる。あらゆるこれらの粗粒は、それらに限定はされないが、材料の圧縮中の沈殿物領域の形成、ホストマトリックス中への粒子の挿入および/またはソリッドステートの化学反応による形成を含む、複数の機序により形成することができる。   In one aspect, the present invention relates to thermoelectric materials having high ZT values and methods for making such materials. In general, such thermoelectric materials typically comprise a plurality of coarse grains. Such coarse grains can be in the form of nano-sized coarse grains that can be obtained, for example, from a bulk material such as a starting thermoelectric material. Thermoelectric materials according to embodiments of the present invention can generally include coarse particles of various sizes. For example, the thermoelectric material can include some coarse particles larger than 1 μm and some coarse particles smaller than 1 μm. In some embodiments, the thermoelectric material can be substantially free of coarse grains that can adversely affect the ZT value of the material (eg, about 5%, 10%, 15%, 20% 25%, 30%, 40% or more than 50%, substantially free of inconvenient coarse grains that can reduce the ZT value of the total material). Some embodiments relate to thermoelectric materials that include a plurality of coarse grains having an average grain size in the micron dimension (eg, greater than about 1 micron). In some cases, the material may be substantially free of large coarse grains. Non-limiting examples include examples that are substantially free of coarse grains greater than about 5000 nm, 1000 nm, 300 nm, 100 nm, 50 nm, 20 nm, or 10 nm. In many cases, such coarse particles can optionally include one or more precipitate regions or other types of inclusions having, for example, an average size in the range of about 1 nm to about 50 nm. In some preferred embodiments, at least some, and preferably substantially all of the coarse particles comprise precipitate regions, nanoparticles and / or other types of inclusions, these various inclusions being Can be formed in situ by chemical reactions and / or by insertion of such inclusions. Further embodiments provide for materials with multiple particle sizes (eg, at least some nano-sized coarse particles and some of which some coarse particles can optionally include precipitate regions or other types of inclusions. Coarse particles exceeding 1 micron). In other words, the thermoelectric material of the present invention includes coarse particles of sub-micron size with or without a precipitate region, coarse particles having a size greater than 1 micron with or without a precipitate region (e.g., controlled doping). any combination of sub-micron coarse particles and coarse particles of greater than 1 micron, with or without precipitate regions. Any of these coarse grains include a plurality of mechanisms including, but not limited to, formation of precipitate regions during compression of the material, insertion of particles into the host matrix and / or formation of solid state chemical reactions. Can be formed.

本発明の熱電材料のZT値は種々の値を採ることができる。例えば、材料のピークZT値または平均ZT値は、それから、出発材料をナノ粒子に転化させ、そして圧力下、高温下でナノ粒子を圧密化することにより熱電材料が形成される、対応する出発材料のピークZT値または平均ZT値より大きいことができる。例えば、材料のZT値は、出発材料のZT値より約25%〜約1000%大きいことができる。他の例においては、材料のZT値は出発材料のZT値の1000%より実質的に大きいことができる。出発材料はある範
囲のZT値をもつことができる。幾つかの実施態様において、形成された材料のZT値は約0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9または2より大きいことができる。幾つかの実施態様において、熱電材料はその下限が前記ZT値の1つであり、そしてその上限が約4、5または6の値に達する範囲内のZT値を示すことができる。
The ZT value of the thermoelectric material of the present invention can take various values. For example, the peak ZT value or average ZT value of the material is then converted from the starting material into nanoparticles and the thermoelectric material is formed by consolidating the nanoparticles under pressure and high temperature. Greater than the peak ZT value or the average ZT value. For example, the ZT value of the material can be about 25% to about 1000% greater than the ZT value of the starting material. In other examples, the ZT value of the material can be substantially greater than 1000% of the ZT value of the starting material. The starting material can have a range of ZT values. In some embodiments, the formed material has a ZT value of about 0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, It can be greater than 1.7, 1.8, 1.9 or 2. In some embodiments, the thermoelectric material can exhibit a ZT value in a range where the lower limit is one of the ZT values and the upper limit reaches a value of about 4, 5 or 6.

これらの上昇したZT値は温度の制約なしに特定することができるが、幾つかの実施態様においては、熱電材料は特定の温度において、またはある温度範囲内で上昇したZT値を示すことができる。例えば、熱電材料は約2000℃未満、約1000℃未満、約800℃未満、約600℃未満または約400℃未満の温度で、上昇したZT値を示すことができる。他の例において、熱電材料は室温(例えば、約200℃未満、約150℃未満、約100℃未満、約60℃未満、約40℃未満、約30℃未満または約20℃未満の温度)に近づき始めるまたはそれを含む温度範囲で上昇したZT値を示すことができる。更に他の例において、熱電材料は極低温(例えば、約0℃未満、約−50℃未満または約−100℃未満の温度)に近づくまたはそれを含む温度範囲で上昇したZT値を示すことができ、このような材料は空調装置、冷蔵庫または超伝導体のような特定の冷却装置のために有用であることができる。幾つかの実施態様において、上昇したZT値が示される温度範囲は、熱電材料の組成に左右される可能性がある。幾つかの限定されない例において、ホウ素−カーバイド基組成物は、幾つかの実施態様においては、約2000℃未満で上昇したZT値を示すことができ、幾つかの実施態様においては、SiGe基組成物は約1000℃未満で上昇したZT値を示すことができ、幾つかの実施態様においては、PbTe基組成物は約600℃未満で上昇したZT値を示すことができ、そして/または幾つかの実施態様においては、BiTe基組成物は約200℃未満で上昇したZT値を示すことができる。他の限定しない例においては、熱電材料はBiSb1−xを含んでなり、室温未満(例えば、約20℃未満)で上昇したZT値を示す。 Although these elevated ZT values can be specified without temperature constraints, in some embodiments, thermoelectric materials can exhibit elevated ZT values at specific temperatures or within a temperature range. . For example, thermoelectric materials can exhibit elevated ZT values at temperatures below about 2000 ° C., below about 1000 ° C., below about 800 ° C., below about 600 ° C., or below about 400 ° C. In other examples, the thermoelectric material is at room temperature (eg, a temperature of less than about 200 ° C, less than about 150 ° C, less than about 100 ° C, less than about 60 ° C, less than about 40 ° C, less than about 30 ° C, or less than about 20 ° C). A ZT value can be shown that rises in a temperature range that begins to approach or includes it. In yet another example, the thermoelectric material may exhibit an increased ZT value in a temperature range approaching or including cryogenic temperatures (eg, temperatures below about 0 ° C., less than about −50 ° C., or less than about −100 ° C.). Such materials can be useful for certain cooling devices such as air conditioners, refrigerators or superconductors. In some embodiments, the temperature range within which elevated ZT values are exhibited can depend on the composition of the thermoelectric material. In some non-limiting examples, the boron-carbide group composition can exhibit an increased ZT value below about 2000 ° C. in some embodiments, and in some embodiments, the SiGe group composition The article can exhibit an elevated ZT value below about 1000 ° C., and in some embodiments, the PbTe-based composition can exhibit an elevated ZT value below about 600 ° C. and / or In this embodiment, the Bi 2 Te 3 based composition can exhibit an elevated ZT value below about 200 ° C. In other non-limiting examples, the thermoelectric material comprises Bi x Sb 1-x and exhibits an elevated ZT value below room temperature (eg, below about 20 ° C.).

必ずしも何か特定の説により限定はされないが、このような熱電材料の高いZT値は、熱伝導度、ゼーベック係数および電気伝導度のあらゆる組み合わせの変化の結果であることができると考えられる。熱伝導度は2種の寄与、格子および電子の寄与を有する。大型粗粒を含む単結晶または多結晶試料において、格子の熱伝導度は特定の物質に固定されている。しかし、バルク材料がナノサイズの粗粒および/またはナノ粒子より大きい粗粒内に包埋されたナノ粒子でなる場合は、ナノ粒子および/または包埋ナノ粒子からもたらされる3種の効果を考慮することができる。第1に、熱伝導度の格子の部分は音子(phonon)の界面散乱により低下する。第2に、ゼーベック係数は担体のフィルター効果のために増加することができ(通常、低エネルギーの電子/空孔が散乱され、それによりゼーベック係数を増加する)、そして第3に電気伝導度は制御ドーピング効果のために増加することができ―粒子が担体(電子および空孔)の寄与体として働き、従って均一にドープされる従来の材料に比較して不純物の散乱を減少する。バリヤーが他のタイプの担体に実質的に影響せずに1種類の電荷(charge)(電子または空孔)を優先的に散乱することができるために、熱伝導度に対する電子の寄与、特に熱伝導度に対する双極性の寄与は、電子の界面バリヤー散乱により減少される可能性がある。加えて、量子サイズ効果は更に、Sσが増加するように、ゼーベック係数および電気伝導度に影響を与えることができる。従って、本発明の幾つかの実施態様は、例えば、出発材料をボールミル粉砕して、PC、単方向性ホットプレス、アイソスタチックホットプレスを含むホットプレスにより密な試料(例えば、理論密度の約90%〜約100%)を調製することにより調製されるナノ粒子を利用することができる。これらのホットプレス試料は典型的には、バルクの相当物に比較して低い熱伝導度を示し、従ってZT値を高め、熱伝導度の低下からのZTの獲得が十分である場合は力率もまた低下することができるが、力率は通常は維持されるかまたは高められる。 Although not necessarily limited by any particular theory, it is believed that the high ZT value of such thermoelectric materials can be the result of changes in any combination of thermal conductivity, Seebeck coefficient and electrical conductivity. Thermal conductivity has two contributions: lattice and electron contributions. In single crystal or polycrystalline samples containing large coarse grains, the thermal conductivity of the lattice is fixed to a specific substance. However, if the bulk material consists of nano-sized coarse particles and / or nanoparticles embedded in larger coarse particles, consider the three effects that result from nanoparticles and / or embedded nanoparticles can do. First, the portion of the thermal conductivity lattice is degraded by phonon interfacial scattering. Secondly, the Seebeck coefficient can be increased due to the filter effect of the carrier (usually low energy electrons / vacancies are scattered thereby increasing the Seebeck coefficient), and thirdly the electrical conductivity is It can be increased due to the controlled doping effect—particles act as carriers (electrons and vacancies) and thus reduce the scattering of impurities compared to uniformly doped conventional materials. Because the barrier can preferentially scatter one type of charge (electrons or vacancies) without substantially affecting other types of carriers, the contribution of electrons to thermal conductivity, especially heat The bipolar contribution to conductivity can be reduced by interfacial barrier scattering of electrons. In addition, the quantum size effect can further affect the Seebeck coefficient and electrical conductivity such that S 2 σ is increased. Thus, some embodiments of the present invention may be used to produce denser samples (eg, theoretical density) by hot pressing including, for example, ball milling the starting material and P 2 C, unidirectional hot pressing, isostatic hot pressing. From about 90% to about 100%) can be utilized. These hot pressed samples typically exhibit low thermal conductivity compared to their bulk counterparts, thus increasing the ZT value and power factor if ZT acquisition from a decrease in thermal conductivity is sufficient. Can also be reduced, but the power factor is usually maintained or increased.

幾つかの実施態様において、熱電材料はバルクの熱電材料のようなバルク出発材料から生成される粗粒を含んでなることができる。例は大きい力率をもつバルク出発材料および/または良好なZT値(例えば、約0.1を超えるZT値)をもつ出発材料を含む。例えば、出発材料のZTは約0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5以上より大きいことができる。幾つかの限定されない例において、出発材料は約0.8、0.9、1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5または2未満のZT値をもつことができる。他の例において、出発熱電材料は、大きい熱伝導度(例えば、2W/mKより大きい)であるが、高い力率(例えば、20μW/cm−Kを超え、そして好ましくは40μW/cm−Kを超えるSσ)をもつことができる。このようなバルク熱電材料は特別に調製することができるかまたは、市販材料を使用することができる。多数のバルク出発材料は粗粒を生成するために破壊することができる固体であるが、ばらの出発材料はまた、気相凝縮物から粗粒を生成する時は気体、または、湿式化学法から粗粒を生成する時は液体のような、他の熱力学状態から生成することもできる。更に、粗粒は1種を超えるバルク出発材料、または異なる熱力学的相をもつ材料の混合物(例えば、液体および気体の混合物)から生成することができることは理解される。 In some embodiments, the thermoelectric material can comprise coarse particles produced from a bulk starting material, such as a bulk thermoelectric material. Examples include bulk starting materials with large power factors and / or starting materials with good ZT values (eg, ZT values greater than about 0.1). For example, the starting ZT can be greater than about 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 or more. In some non-limiting examples, the starting material has a ZT value less than about 0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, or 2. Can do. In other examples, the starting thermoelectric material has a high thermal conductivity (eg, greater than 2 W / mK) but a high power factor (eg, greater than 20 μW / cm-K 2 and preferably 40 μW / cm-K). ( S 2 σ) greater than 2 . Such bulk thermoelectric materials can be specially prepared or commercially available materials can be used. Many bulk starting materials are solids that can be broken to produce coarse grains, but loose starting materials are also from gas or wet chemical methods when producing coarse grains from gas phase condensates. Coarse grains can be produced from other thermodynamic states, such as liquid. Furthermore, it is understood that coarse grains can be generated from more than one bulk starting material, or a mixture of materials with different thermodynamic phases (eg, a mixture of liquid and gas).

幾つかの実施態様において多数の出発材料を使用することができるが、バルク出発材料はビスマス−基材料、鉛−基材料および/またはケイ素−基材料、のあらゆる組み合わせ物から選択することができる。幾つかの実施態様において、バルク出発材料はビスマス−アンチモン−テルルの合金、ビスマス−セレン−テルルの合金、ビスマス−アンチモン−テルル−セレン−の合金、鉛−テルルの合金、鉛−セレンの合金、ケイ素−ゲルマニウムの合金またはあらゆるそれらの組み合わせ物のような種々の合金から誘導することができる。具体的な実施態様は、p−型またはn−型いずれかの材料であるバルク出発材料を使用する工程に関することができる。例えば、このような出発材料はBiTeのような親組成物の組成変更形態であることができる。一例として、n−型の材料は,バルク材料の化学量論的組成が式BiTe3−xSe[ここで、xは約0〜約0.8の範囲内にある]をもつように、BiTe中のテルルをセレンと置換することにより得ることができる。p−型の材料に対しては、例えば、アンチモンを使用して、バルク材料の化学量論的組成が式BiSb2−xTe[ここで、xは約0〜約0.8の範囲内にある]をもつように、ビスマスを置換することができる。具体的実施態様において、使用されるバルク出発材料はBi0.5Sb1.5Teである。一般に、バルク出発材料は結晶性材料または多結晶性材料(例えば、約1ミクロンを超える平均結晶粒度をもつ多結晶)であることができる。出発材料の他の例は、MgSi、InSb、GaAsCoSb、ZnSb、等を含む。幾つかの場合には、バルク出発材料は,例えば約20μV/cmKを超える、閾値の力率値Sσをもつ材料であることができる。このような場合には、バルク出発材料は、バルク出発材料の低い熱伝導度のために、かなりのZT値(例えば、約0.1を超える)を持つことができ、または、力率は閾値以上であることができるが、出発材料のZT値は、材料の比較的高い熱伝導度のために低い可能性がある。 Although a number of starting materials can be used in some embodiments, the bulk starting material can be selected from any combination of bismuth-based materials, lead-based materials, and / or silicon-based materials. In some embodiments, the bulk starting material is a bismuth-antimony-tellurium alloy, a bismuth-selenium-tellurium alloy, a bismuth-antimony-tellurium-selenium alloy, a lead-tellurium alloy, a lead-selenium alloy, It can be derived from various alloys such as silicon-germanium alloys or any combination thereof. Specific embodiments may relate to using bulk starting materials that are either p-type or n-type materials. For example, such starting materials can be a modified form of a parent composition such as Bi 2 Te 3 . As an example, an n-type material may have a bulk material stoichiometry of the formula Bi 2 Te 3-x Se x where x is in the range of about 0 to about 0.8. In addition, it can be obtained by replacing tellurium in Bi 2 Te 3 with selenium. For p-type materials, for example, using antimony, the stoichiometric composition of the bulk material is of the formula Bi x Sb 2-x Te 3 [where x is from about 0 to about 0.8. Bismuth can be substituted to have [in range]. In a specific embodiment, the bulk starting material used is Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 . In general, the bulk starting material can be a crystalline material or a polycrystalline material (eg, a polycrystalline having an average grain size greater than about 1 micron). Other examples of the starting material, MgSi 2, InSb, GaAsCoSb 3 , Zn 4 Sb 3, and the like. In some cases, the bulk starting material can be a material with a threshold power factor value S 2 σ, for example, greater than about 20 μV / cm K 2 . In such cases, the bulk starting material can have a significant ZT value (eg, greater than about 0.1) due to the low thermal conductivity of the bulk starting material, or the power factor is a threshold Although this can be the case, the ZT value of the starting material can be low due to the relatively high thermal conductivity of the material.

幾つかの実施態様において、1種または複数の出発材料を粉砕/ミル粉砕以外の方法により、熱電材料の粒子(例えば、ナノ粒子)は、バルク出発材料または元素材料から生成することができる。粒子は当業者に知られた方法を含む多数の方法により生成することができる。限定されない例は、気相凝縮、レーザーアブレーション、化学合成(例えば、湿式または乾式法)、スプレイの急速冷却、等を含む。従って、本出願書の範囲は本明細書に考察された特定の粒子生成法に限定されない。粒子生成法は圧密化のための材料を生成するために、あらゆる方法で組み合わせることができることは理解される。例えば、幾つかの粒子はボールミル(例えば、ホスト材料を生成するため)により生成することができ、他方、他の粒子は1種または複数の他の方法(例えば、気相凝縮、レーザーアブレーション、等)により生成することができる。   In some embodiments, particles of thermoelectric material (eg, nanoparticles) can be generated from bulk starting material or elemental material by methods other than grinding / milling one or more starting materials. The particles can be produced by a number of methods, including methods known to those skilled in the art. Non-limiting examples include gas phase condensation, laser ablation, chemical synthesis (eg, wet or dry methods), rapid cooling of sprays, and the like. Accordingly, the scope of this application is not limited to the specific particle production methods discussed herein. It will be appreciated that the particle generation methods can be combined in any way to produce a material for consolidation. For example, some particles can be produced by a ball mill (eg, to produce a host material), while other particles can be one or more other methods (eg, gas phase condensation, laser ablation, etc. ).

熱電材料を形成する粗粒は、種々の特徴をもつことができる。幾つかの実施態様において、各粗粒は結晶性構造をもつ。このような場合には、熱電材料は、その粗粒が一般に好適な配向を欠く(例えば、ランダムに分配された)多結晶様構造を含んでなる可能性がある。幾つかの場合には、粗粒はまた、その粗粒の全体的結晶方向が相互に対してランダムでもまたはある好適な方向を示してもよい粗粒の形状により、あるタイプの好適な配向を示すことができる。従って、このような実施態様は、平均結晶構造における小さい欠陥または組成の不均一性にも拘わらず、平均的結晶構造(例えば、複数の半導体層の積層物として形成される超格子構造物を含む)を示す多数の知られた熱電材料と実質的に異なる。   The coarse grains forming the thermoelectric material can have various characteristics. In some embodiments, each coarse grain has a crystalline structure. In such cases, the thermoelectric material may comprise a polycrystalline-like structure whose coarse grains generally lack a suitable orientation (eg, randomly distributed). In some cases, the coarse grains also have a certain type of preferred orientation, depending on the shape of the coarse grains, whose overall crystallographic direction may be random with respect to each other or exhibit some preferred direction. Can show. Thus, such embodiments include superlattice structures formed as an average crystal structure (eg, a stack of multiple semiconductor layers) despite small defects or compositional non-uniformities in the average crystal structure. Is substantially different from many known thermoelectric materials.

本明細書で考察された種々の熱電材料がそれからなる粗粒は種々のサイズをもつことができる。幾つかの実施態様において、サイズは一般にナノ−メーター規模であり、そして一般に1ミクロンより小さい。例えば、粗粒は約500nm未満、または約200nm未満、または約100nm未満、または約50nm未満、または約20nm未満の平均粒度をもつことができる。このような実施態様において、平均粒度はある下限閾値(例えば、約1nm)より大きいことができる。幾つかの場合には、平均粒度は当業者により理解される方法を含む種々の方法を使用して決定することができる。例えば、その場合、そのサイズを決定し、平均を計算することができる透過型電子顕微鏡(本明細書では「TEM」)を使用して粗粒を撮影することができる。粗粒は典型的には不規則な形状をもつので、粗粒の測定サイズは専門家に知られた方法を含む多数の方法を使用して決定することができる。例えば、画像(例えば、SEMおよび/またはTEM画像)からの粗粒の最大のディメンションを使用することができるか、あるいは、有効粒径を、画像からの粗粒の表面積測定または有効断面積に基づいて計算することができる。   Coarse grains composed of the various thermoelectric materials discussed herein can have various sizes. In some embodiments, the size is generally on a nanometer scale and is generally less than 1 micron. For example, the coarse particles can have an average particle size of less than about 500 nm, or less than about 200 nm, or less than about 100 nm, or less than about 50 nm, or less than about 20 nm. In such embodiments, the average particle size can be greater than some lower threshold (eg, about 1 nm). In some cases, the average particle size can be determined using a variety of methods, including methods understood by those skilled in the art. For example, in that case, coarse particles can be photographed using a transmission electron microscope (herein “TEM”) whose size can be determined and an average calculated. Since coarse particles typically have an irregular shape, the measured size of the coarse particles can be determined using a number of methods, including methods known to the expert. For example, the largest dimension of the coarse grain from the image (eg, SEM and / or TEM image) can be used, or the effective particle size can be based on a coarse particle surface area measurement or effective cross-sectional area from the image. Can be calculated.

本発明の多数の実施態様において、熱電材料の粗粒は、最終生成物が上昇したZT値のような所望される特性を示すように圧密化することができる。幾つかの実施態様において、熱電材料は、上昇したZT値を獲得する支援をすることができる、低い空隙率を示す構造中に圧密化粗粒を含んでなる(例えば、最終生成物の実際の密度は、組成物、例えば幾つかの実施態様においてナノ粒子を製造するために使用されるバルク出発材料、の理論密度に近づくことができる)。空隙率は理論的密度で割算された、材料の理論的密度と実際の密度間の差と定義される。用語「理論的密度」は一般に当業者に知られている。材料の空隙率は約10%、5%または4%、または3%、または2%、または1%、または0.5%または0.1%未満であることができる。幾つかの実施態様において、熱電材料は理論的密度の100%に近い密度を示す。幾つかの実施態様において、熱電材料の密度はそれぞれの理論的密度の100%と、90%、95%、96%、97%、98%、99%、99.5%または99.9%の間であることができる。必ずしも説に制約されるとは限らないが、密度を高めることは材料の電気伝導度を維持する助けになることができる、粗粒間の接触を維持する助けになることができると考えられる。   In many embodiments of the present invention, the coarse grain of the thermoelectric material can be consolidated so that the final product exhibits desired properties such as elevated ZT values. In some embodiments, the thermoelectric material comprises consolidated coarse particles in a structure that exhibits a low porosity that can assist in obtaining elevated ZT values (eg, the actual product of the final product). The density can approach the theoretical density of the composition, for example, the bulk starting material used in some embodiments to produce nanoparticles). Porosity is defined as the difference between the theoretical and actual density of a material divided by the theoretical density. The term “theoretical density” is generally known to those skilled in the art. The porosity of the material can be about 10%, 5% or 4%, or 3%, or 2%, or 1%, or 0.5% or less than 0.1%. In some embodiments, the thermoelectric material exhibits a density close to 100% of the theoretical density. In some embodiments, the density of the thermoelectric material is 100% of the respective theoretical density and 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5% or 99.9%. Can be between. While not necessarily constrained by theory, it is believed that increasing the density can help maintain the electrical conductivity of the material, and can help maintain contact between the coarse grains.

幾つかの実施態様は、1個または複数の粗粒が1個または複数の沈殿物領域を含むことができる、複数の粗粒から形成される熱電材料に関する。一例として、図1は複数の粗粒110を含む多結晶構造物を示すような熱電材料をスキームで表す。粗粒は更に、1個または複数の沈殿物領域120を含み、それが材料の熱電性を高めることができる。沈殿物領域は粗粒の残りの部分と異なる組成および/または相をもつような、組成の不均一性を特徴として示すことができる。沈殿物領域はまた、異なる結晶方向に配向されているが、それが包埋されているマトリックスに対して同様な結晶構造をもつという特徴を示すことができる。幾つかの実施態様において、1個または複数の沈殿物領域は粗粒中に包埋された別々の粒子(例えば、ナノ粒子)として具体化されることができるか、または、沈殿物領域の存在による欠陥を伴うにも拘わらず、粗粒全体が結晶として具体化されることができる。幾つかの実施態様において、熱電材料は沈殿物領域をもたない他の粗粒を含むことができる。代りの実施態様において、熱電材料を含んでなる、実質的にすべての粗粒が沈
殿物領域を含む。沈殿物領域は典型的には約10nm未満、または約50nm未満(例えば、約1nm〜約50nmの範囲)のサイズ(例えば、最大平均サイズ)をもつ。沈殿物領域の形成は、その全体を参照により本明細書に引用されたこととする、「高い熱電示性数をもつナノ複合物」と題する、2004年、10月29日出願の、米国特許出願番号第10/977,363号を担持する、米国特許出願公開第2006/0102224号中に考察された方法を含む種々の方法で達成することができる。
Some embodiments relate to thermoelectric materials formed from a plurality of coarse particles, wherein the one or more coarse particles can include one or more precipitate regions. As an example, FIG. 1 schematically illustrates a thermoelectric material that exhibits a polycrystalline structure including a plurality of coarse grains 110. The coarse particles further include one or more precipitate regions 120, which can increase the thermoelectric properties of the material. The precipitate region can be characterized by a compositional non-uniformity such that it has a different composition and / or phase than the rest of the coarse grain. The precipitate region can also be characterized by having a similar crystal structure with respect to the matrix in which it is oriented, although oriented in different crystal directions. In some embodiments, the one or more precipitate regions can be embodied as separate particles (eg, nanoparticles) embedded in the coarse particles or the presence of the precipitate region The entire coarse grain can be embodied as a crystal despite the defects due to. In some embodiments, the thermoelectric material can include other coarse grains that do not have a precipitate region. In an alternative embodiment, substantially all of the coarse particles comprising the thermoelectric material include a precipitate region. The precipitate region typically has a size (eg, maximum average size) of less than about 10 nm, or less than about 50 nm (eg, in the range of about 1 nm to about 50 nm). The formation of a precipitate region is a U.S. patent filed Oct. 29, 2004 entitled “Nanocomposites with High Thermoelectric Properties”, which is incorporated herein by reference in its entirety. This can be accomplished in a variety of ways, including those discussed in U.S. Patent Application Publication No. 2006/0102224, carrying application number 10 / 977,363.

幾つかの場合には、沈殿物領域は、例えば本明細書で考察された方法による熱電材料の形成により、自発的に生成される。他の場合には、沈殿物領域は異なる融点をもつ2種のナノ粒子を混合することにより生成される。例えば、一方の種類は他方より低い融点をもつことができる。ナノ粒子を混合し、そしてそれらを加熱/圧密化することにより(例えば、一方の種類のナノ粒子の融点に近いが、他の種類の融点より下の温度で)、より低い融点をもつナノ粒子が他の種類のナノ粒子の周囲に粗粒を形成することができる。言い換えると、一方の種類のナノ粒子で形成された粗粒は他方の種類のナノ粒子を包埋することができる。このような包埋ナノ粒子を形成するために使用することができる組み合わせ(ensemble)材料の例は、ビスマス−テルル材料系、鉛−テルル材料系、ケイ素−ゲルマニウム材料系、等を含む。   In some cases, the precipitate region is generated spontaneously, for example, by formation of a thermoelectric material by the methods discussed herein. In other cases, the precipitate region is generated by mixing two nanoparticles with different melting points. For example, one type can have a lower melting point than the other. Nanoparticles with a lower melting point by mixing the nanoparticles and heating / consolidating them (eg, near the melting point of one type of nanoparticle but below the melting point of the other type) Can form coarse particles around other types of nanoparticles. In other words, coarse particles formed of one type of nanoparticles can embed the other type of nanoparticles. Examples of ensemble materials that can be used to form such embedded nanoparticles include bismuth-tellurium material systems, lead-tellurium material systems, silicon-germanium material systems, and the like.

前記の考察は明白に、熱電材料における沈殿物形成に関するが、マトリックス中に他の種類の封入物を利用することにより(例えば、ホスト中のナノ粒子の使用)他の材料が形成されることは理解されなければならない。例えば、2種以上のナノ粒子を一緒に混合して、沈殿物を含まないかも知れないが、まだ有益な特性(例えば、制御ドーピングの使用)をもつことができる熱電材料を形成することができる。従って、沈殿物に関する本明細書の開示物はまた、適当な場合に、他の種類の封入物に関して利用することができる。例えば、沈殿物または封入物領域は、SiGeホスト中のSiと反応して、MoSi、FeSi、MgSi、等の粒子を形成する、Mo、Fe、Mn、Mg、Ag、Cr、W、Ta、Ti、Cu、NiまたはV金属粒子のようなホストとの粒子のソリッドステート化学反応により形成することができる。 The above discussion is clearly related to precipitate formation in thermoelectric materials, but other materials are formed by utilizing other types of inclusions in the matrix (eg, using nanoparticles in the host). Must be understood. For example, two or more types of nanoparticles can be mixed together to form a thermoelectric material that may be free of precipitates but still have beneficial properties (eg, use of controlled doping). . Accordingly, the disclosure herein regarding precipitates can also be utilized with other types of inclusions where appropriate. For example, the precipitate or inclusion region reacts with Si in the SiGe host to form particles such as MoSi 2 , FeSi 2 , MgSi 2 , Mo, Fe, Mn, Mg, Ag, Cr, W, It can be formed by solid state chemical reaction of particles with a host such as Ta, Ti, Cu, Ni or V metal particles.

どんな具体的な説にも制約はされないが、沈殿物領域または他の種類の封入物は熱電材料中の音子散乱を増加し、それが材料の熱伝導度の低下をもたらすことができると考えられる。更に、n−ドープまたはp−ドープ領域は例えば、制御ドーピング機序により材料の電気伝導度を高めることができる。このような場合には、幾らかのまたはすべての電荷担体(電子および空孔)を、より大型粗粒中に包埋された沈殿物領域または他の封入物により供与することができる。封入物領域間の距離は、均一にドープされた材料中の原子のドーパント間の距離より大きい可能性があるために、電荷担体の不純物散乱は、均一にドープされた材料におけるものに比較して減少される。このような制御ドーピング様機序が担体の移動性を改善することにより電気伝導度を増加させることができる。幾つかの場合には、これらの沈殿物領域または他の封入物はまた、より高いエネルギーの担体より低いエネルギー担体を散乱することによりゼーベック係数を改善することができる。従って、沈殿物領域または他の封入物は熱電材料のZTを改善することができる。   Although not limited to any specific theory, it is believed that the sediment region or other type of inclusion increases phonon scattering in the thermoelectric material, which can lead to a decrease in the thermal conductivity of the material. It is done. Furthermore, the n-doped or p-doped regions can increase the electrical conductivity of the material, for example, by a controlled doping mechanism. In such cases, some or all of the charge carriers (electrons and vacancies) can be donated by precipitate regions or other inclusions embedded in larger coarse grains. Since the distance between the inclusion regions may be greater than the distance between the dopants of the atoms in the uniformly doped material, the charge carrier impurity scattering is compared to that in the uniformly doped material. Will be reduced. Such a controlled doping-like mechanism can increase the electrical conductivity by improving the mobility of the support. In some cases, these precipitate regions or other inclusions can also improve the Seebeck coefficient by scattering lower energy carriers than higher energy carriers. Thus, the sediment region or other inclusion can improve the ZT of the thermoelectric material.

他の実施態様において、沈殿物領域、あるいは粗粒領域または他の封入物は優先的にドーピングされることができる。このような環境において、これらの領域の担体は、それらがより高いポテンシャルエネルギーにある時に周囲のホスト媒質中に入り込む(fall into)ことができる。例えば、制御ドーピングの場合に、ホスト材料中のドーピングはそれに応じて減少されまたは完全に排除され、従ってイオン化された不純物の散乱を減少することにより、ホスト中の電子移動性を高めることができる。   In other embodiments, the precipitate region, or the coarse region or other inclusions can be preferentially doped. In such an environment, the carriers in these regions can fall into the surrounding host medium when they are at higher potential energy. For example, in the case of controlled doping, doping in the host material is correspondingly reduced or eliminated entirely, thus increasing electron mobility in the host by reducing the scattering of ionized impurities.

粗粒中に沈殿物領域または他の封入物を含む実施態様は、多数の粒度を示すことができ
る。幾つかの実施態様において、粒度は、一般に1ミクロンより小さい粗粒に対して、本明細書で記載のあらゆるサイズに従う。例えば、平均粒度は約500nm、約200nm、約100nm、約50nmまたは約20nm未満であることができる。あるいはまた、もしくは更に、平均粒度は約1nmより大きいことができる。1個または複数の封入物を含む他の実施態様において、粒度は1ミクロンより大きいことができる。例えば、複数の粗粒が約2ミクロン、5ミクロンまたは10ミクロンまでの平均サイズをもつことができる。具体的な実施態様において、複数の粗粒が約1ミクロン〜約10ミクロンの範囲、または約1ミクロン〜約5ミクロンの範囲、または約1ミクロン〜約2ミクロンの範囲内の平均サイズを有する。
Embodiments that include precipitate regions or other inclusions in the coarse particles can exhibit multiple particle sizes. In some embodiments, the particle size follows any size described herein for coarse particles, generally less than 1 micron. For example, the average particle size can be less than about 500 nm, about 200 nm, about 100 nm, about 50 nm, or about 20 nm. Alternatively or additionally, the average particle size can be greater than about 1 nm. In other embodiments comprising one or more inclusions, the particle size can be greater than 1 micron. For example, the plurality of coarse grains can have an average size of up to about 2, 5, or 10 microns. In specific embodiments, the plurality of coarse grains have an average size in the range of about 1 micron to about 10 microns, or in the range of about 1 micron to about 5 microns, or in the range of about 1 micron to about 2 microns.

沈殿物領域または封入物のサイズもまたばらつく可能性がある。例えば、沈殿物領域のサイズはそれが包埋されている粗粒のサイズにより限定される可能性がある。多数の実施態様において、沈殿物領域または封入物は好ましくは、約1nm〜約50nmの範囲、または約1nm〜約20nmの範囲内の平均サイズをもつことができる。他の場合には、例えば、電子性能を増加するために制御ドーピング機序が使用される時は、沈殿物領域または封入物は、例えば1nm〜10ミクロンの、より大きいサイズをもつことができ、他方、合金形成またはナノ粒子形成により、周囲の領域中の音子の熱伝導度減少が達成される。   The size of the sediment area or inclusion can also vary. For example, the size of the precipitate region may be limited by the size of the coarse grain in which it is embedded. In many embodiments, the precipitate region or inclusion can preferably have an average size in the range of about 1 nm to about 50 nm, or in the range of about 1 nm to about 20 nm. In other cases, for example, when a controlled doping mechanism is used to increase electronic performance, the precipitate region or inclusion can have a larger size, eg, 1 nm to 10 microns, On the other hand, alloy formation or nanoparticle formation achieves a decrease in the thermal conductivity of the phonons in the surrounding region.

幾つかの実施態様は、高い示性数を達成するための制御ドーピングを示す、加工された熱電材料に関する。幾つかの実施態様において、熱電材料はホスト材料中に包埋された粒子(例えばナノ粒子)または他の封入物を含むことができ、そこで封入物はホストに電荷担体(例えば、電子または空孔)を供与し、それによりホスト中の担体の移動性を増加する。これは材料全体の電気伝導度を有利に高めることができ、従って、例えば、材料のZT値により特徴付けられるその熱電性能を改善することができる。多数のこのような場合に、ホストは最初に、ドープされていないか、あるいは熱電材料に対する典型的なドーピング値より低いn−型またはp−型ドーピングレベル(典型的には、空間的に実質的に均一であるドーピングレベル)をもつように選択される。例えば、ホストの最初のドーピングレベルは従来の熱電材料より、1.5、2、5、10、100または1000のファクターで低いレベルであることができる。更に、包埋封入物(例えば、沈殿物サイトまたは識別可能な粒子)はドープ材料または非ドープ材料で形成することができる。   Some embodiments relate to engineered thermoelectric materials that exhibit controlled doping to achieve high modulus numbers. In some embodiments, the thermoelectric material can include particles (eg, nanoparticles) or other inclusions embedded in the host material, where the inclusions are charged carriers (eg, electrons or pores) to the host. ), Thereby increasing the mobility of the support in the host. This can advantageously increase the overall electrical conductivity of the material, thus improving its thermoelectric performance, which is characterized, for example, by the ZT value of the material. In many such cases, the host is initially undoped or has an n-type or p-type doping level (typically spatially substantially lower than typical doping values for thermoelectric materials). The doping level being uniform). For example, the initial doping level of the host can be lower by a factor of 1.5, 2, 5, 10, 100 or 1000 than conventional thermoelectric materials. Furthermore, embedded inclusions (eg, precipitate sites or distinguishable particles) can be formed of doped or undoped materials.

一例によれば、図1Bは、複数の粒子(particle)140が包埋されている−該粒子は封入物として働く、ホスト130を含むような熱電材料をスキームにより表している。この場合、ホストは、場合により、約1ミクロン未満のサイズ(例えば、あらゆるディメンションの最大粒度)、例えば約500nm〜約1ミクロン未満の範囲内のサイズをもつ、複数の粗粒(grains)135、例えば複数の結晶性粗粒を含む。他の場合には、粒度は例えば、約1ミクロン〜約20ミクロンの範囲内でより大きいことができる。更に、場合により、粒子は約1ミクロン未満、例えば約1nm〜約200nmの範囲内、または約2nm〜約100nmの範囲内のサイズ(例えば、あらゆる方向の最大サイズ)をもつことができ、他の場合には、サイズは1ミクロンより大きい、例えば、約1ミクロン〜約10ミクロンの範囲内にあることができる。封入物140は種々の方法で形成することができる。例えば、それらは、本明細書の他の実施態様に関して考察されたものを含むあらゆる適当な方法を使用して、沈殿物領域として形成することができる。他の場合には、それらは、例えば「高い熱電示性数をもつナノ複合体」と題する前記に引用された特許出願物中で考察された方法を使用することにより、ホストの材料と異なる材料で形成することができる。更に他の場合には、粒子は例えば圧密化相の期間にソリッドステート化学反応により形成することができる。   According to one example, FIG. 1B schematically depicts a thermoelectric material that includes a host 130 in which a plurality of particles 140 are embedded—the particles acting as inclusions. In this case, the host optionally has a plurality of grains 135 having a size of less than about 1 micron (eg, maximum particle size of any dimension), eg, a size in the range of about 500 nm to less than about 1 micron. For example, it contains a plurality of crystalline coarse grains. In other cases, the particle size can be larger, for example, in the range of about 1 micron to about 20 microns. Further, in some cases, the particles can have a size (eg, maximum size in any direction) less than about 1 micron, such as in the range of about 1 nm to about 200 nm, or in the range of about 2 nm to about 100 nm, In some cases, the size can be greater than 1 micron, for example in the range of about 1 micron to about 10 microns. The enclosure 140 can be formed by various methods. For example, they can be formed as a precipitate region using any suitable method, including those discussed with respect to other embodiments herein. In other cases, they are different from the host material, for example by using the method discussed in the above cited patent application entitled “Nanocomposites with high thermoelectric number”. Can be formed. In still other cases, the particles can be formed, for example, by solid state chemical reactions during the consolidation phase.

一般性を喪失せずに、この例においてホスト130は、複数のミクロンサイズおよび/
またはナノサイズの粗粒(grains)135をもつSiGe合金であると推定され、そして粒子(particle)140はSiGe合金中に包埋されているMoSi(モリブデンケイ化物)の粒子であることができる。このような熱電材料は、例えば以下の方法:SiGeにモリブデンを添加し、材料を溶融し、そして材料を冷却して(例えば、前記の方法で)インゴットを製造し、それを、必要に応じて粉砕し、圧密化する方法、で形成することができる。この方法で、MoSi粒子は、例えば冷却工程中に、SiとのMoのソリッドステート化学反応により形成される。この例において、SiGeホストは高度にはドープされないが、他の場合には、それは高度にドープすることができ、例えば、p−型ドープすることができるが、従来のSiGe熱電材料におけるより、2、5、10または100のファクターだけ低い。更に、空孔はMoSiの存在により生成することができる。ホストへの空孔のこのような供与が材料内の空孔移動性を高め、従って、材料の電気的伝導度およびその結果、熱電性能を改善することができる。他の場合には、粒子は、SiおよびGe元素あるいはSiGe結晶合金をFe、Mn、Mg、Cr、W、Ta、Ti、Cu、NiまたはVと粉砕して、FeSi、MgSi、等の粒子を形成するか、あるいはそれぞれのケイ化物をSiおよびGeまたはSiGe合金と一緒に粉砕することにより、ホスト中のSi(例えば、SiGe)のソリッドステート化学反応により形成することができる。それらの幾らかはn−型に適用可能であるが、他はp−型材料に適用可能である。Siと反応しない他のナノ粒子(例えば、金属および/または半導体ナノ粒子)もまた、封入物としてAgのような制御ドーピングを形成するために使用することができる。
Without loss of generality, in this example, the host 130 may have multiple micron sizes and / or
Or it can be estimated to be a SiGe alloy with nano-sized grains 135 and the particles 140 can be MoSi 2 (molybdenum silicide) particles embedded in the SiGe alloy. . Such a thermoelectric material can be produced, for example, by the following method: adding molybdenum to SiGe, melting the material, and cooling the material (eg, as described above) to produce an ingot, optionally It can be formed by a method of pulverizing and compacting. In this way, MoSi 2 particles are formed by a solid state chemical reaction of Mo with Si, for example during the cooling process. In this example, the SiGe host is not highly doped, but in other cases it can be highly doped, e.g., p-type doped, but less than in conventional SiGe thermoelectric materials. Low by a factor of 5, 10 or 100. Furthermore, vacancies can be generated by the presence of MoSi 2 . Such provision of vacancies to the host increases the vacancy mobility within the material, and thus can improve the electrical conductivity of the material and consequently the thermoelectric performance. In other cases, the particles may be obtained by grinding Si and Ge elements or SiGe crystal alloys with Fe, Mn, Mg, Cr, W, Ta, Ti, Cu, Ni, or V, such as FeSi 2 , MgSi 2 , etc. It can be formed by solid-state chemical reaction of Si (eg, SiGe) in the host by forming particles or grinding each silicide together with Si and Ge or SiGe alloys. Some of them are applicable to n-type, while others are applicable to p-type materials. Other nanoparticles that do not react with Si (eg, metal and / or semiconductor nanoparticles) can also be used to form a controlled doping such as Ag as an encapsulation.

粒子からホストへの電荷担体のこのような供与の更なる説明のために、どんな特定の説にも限定はされないが、図1Cは、ホスト材料に対応する部分151、152、153および、ホスト中に包埋された粒子に対応する部分161、162を表す、仮説の熱電材料(例えば、その中にMoSi粒子を包埋されている前記のSiGe基剤の材料)に対応する、電荷担体のエネルギー図をスキームで表している。図はスキームであり、説明の目的のためにのみ与えられていることは理解される。粒子161、162のエネルギー帯(例えば、伝導帯または価電子帯)中の電荷担体(例えば、電子または空孔)は、伝導帯または価電子帯であることができるホスト151、152、153のエネルギー帯のものより高いエネルギーをもつことができる。従って、粒子中の更なるドーピングによる、または電子のその内在する大きい密度のいずれかによることができる(金属または半金属におけるような)粒子中の複数の電荷担体はホストに移動して、それらのエネルギーを低下することができる。粒子からホストへの電荷担体のこの移動は、例えば、ホスト材料中のドーパントを減少することにより、従ってイオン化した不純物の散乱を減少することにより、担体の移動性を有利に増加することができる。この方法で、より高い電気伝導度を達成することができる。幾つかの場合には、全体的により高い電子移動性は達成しないが、粗粒(grain)の境界がまだ電子を散乱するために、この制御ドーピング法は、電子粒界(electron grain boundary)散乱により移動性の減少を補償することにより、まだ有益であることができる。制御ドーピングに使用される粒子はまた、それらが低エネルギー担体を散乱し、そして音子および電子双方の熱伝導度を減少することができるので、より高いゼーベック係数をもたらす可能性がある。幾つかの他の場合には、ホストに電子を供与するよりむしろ、粒子はホストに空孔を供与することができる。再度、どんな特定の説にも限定されないが、粒子からホストへの電荷担体のこのような供与の機序は、幾つかの空孔が、粒子の価電子帯のより高いエネルギーレベルから、ホストの価電子帯のより低いエネルギーレベルへ移動する機序、あるいはホストの価電子帯の電子を粒子中に引き付けて、ホスト中に、より多数の空孔を形成する機序に基づくことができる。 For further explanation of such donation of charge carriers from the particle to the host, without being limited to any particular theory, FIG. 1C shows portions 151, 152, 153 corresponding to the host material and Of charge carriers corresponding to hypothetical thermoelectric materials (eg, the SiGe-based materials described above embedded with MoSi 2 particles) representing portions 161, 162 corresponding to the particles embedded in The energy diagram is represented by a scheme. It is understood that the figure is a scheme and is provided for illustrative purposes only. The charge carriers (eg, electrons or vacancies) in the energy band (eg, conduction band or valence band) of the particles 161, 162 are the energy of the hosts 151, 152, 153, which can be the conduction band or valence band. Can have higher energy than that of the band. Thus, multiple charge carriers in a particle (such as in a metal or metalloid), either by further doping in the particle or by its inherent high density of electrons, migrate to the host and their Energy can be reduced. This transfer of charge carriers from the particle to the host can advantageously increase the mobility of the carrier, for example, by reducing the dopant in the host material and thus reducing the scattering of ionized impurities. In this way, higher electrical conductivity can be achieved. In some cases, overall higher electron mobility may not be achieved, but this controlled doping method may be used for electron grain boundary scattering because the grain boundaries still scatter electrons. Can still be beneficial by compensating for the reduced mobility. The particles used for controlled doping can also result in higher Seebeck coefficients because they can scatter low energy carriers and reduce the thermal conductivity of both phonons and electrons. In some other cases, rather than donating electrons to the host, the particles can donate vacancies to the host. Again, without being limited to any particular theory, the mechanism of such donation of charge carriers from the particle to the host is that some vacancies are due to the host's higher energy level in the valence band. It can be based on the mechanism of moving to a lower energy level of the valence band or the mechanism of attracting electrons in the valence band of the host into the particles to form more vacancies in the host.

一般に、出発材料の種類、上昇したZTが測定される温度、粗粒の成分、形成法並びにこれらの実施態様と関連付けることができる他の特性および方法は、粒度、沈殿物領域お
よび/または記載された他の封入物に従う、本出願書内に考察されるすべての特徴(traits)および方法を含む。例えば、粗粒は前記に考察されたようなあらゆる適した熱電材料で形成することができ、そして更に、n−型またはp−型ドーパントを含むことができる。他の例において、形成される熱電材料は約1.0を超える、約1.5を超える、約2を超える、または約1〜約5の範囲内のZT値を有する。更に他の例において、形成される熱電材料は、約2000℃未満、約1000℃未満、約600℃未満、約200℃未満または約20℃未満の作業温度におけるZT値(例えば、出発材料に対して上昇した)を有する。他の例において、熱電材料の粗粒はビスマス−基材料(例えば、BiTeおよび/またはその関連合金)、ケイ素基材料および鉛基材料の少なくとも1種を含むことができる。このような材料を製造する工程に関し、バルク出発材料または元素材料からナノ粒子を形成する方法は、圧縮のために所望のナノ粒子の粒度を得るために、粉砕速度、期間および/または温度(極低温を含む)のようなパラメーターを調整することによるが、本明細書に考察されたように適用することができる。更に、ナノ粒子の粒度のそのような調整を使用して、最終熱電材料の所望の粒度(例えば、1ミクロン未満、または1ミクロンを超えるが10ミクロン未満)を得ることができる。更に、本明細書に考察され、当業者により適用されるような圧密化法を適用することができる。
In general, the type of starting material, the temperature at which elevated ZT is measured, the composition of the coarse particles, the formation method and other properties and methods that can be associated with these embodiments are described in terms of particle size, precipitate area and / or Including all traits and methods discussed within this application according to other inclusions. For example, the coarse grains can be formed of any suitable thermoelectric material as discussed above, and can further include an n-type or p-type dopant. In other examples, the thermoelectric material formed has a ZT value in the range of greater than about 1.0, greater than about 1.5, greater than about 2, or from about 1 to about 5. In still other examples, the thermoelectric material formed has a ZT value at an operating temperature of less than about 2000 ° C., less than about 1000 ° C., less than about 600 ° C., less than about 200 ° C. or less than about 20 ° C. Have risen). In other examples, the coarse particles of the thermoelectric material can include at least one of a bismuth-based material (eg, Bi 2 Te 3 and / or related alloys), a silicon-based material, and a lead-based material. With respect to the process of producing such materials, the method of forming nanoparticles from bulk starting materials or elemental materials can include grinding speed, duration and / or temperature (polarity) to obtain the desired nanoparticle size for compression. By adjusting parameters such as low temperature, but can be applied as discussed herein. Further, such adjustment of the nanoparticle size can be used to obtain the desired particle size of the final thermoelectric material (eg, less than 1 micron, or greater than 1 micron but less than 10 microns). Furthermore, consolidation methods as discussed herein and applied by those skilled in the art can be applied.

本出願書の他の実施態様は熱電材料の加工法に関する。このような方法において、熱電材料から複数のナノ粒子が生成される。ナノ粒子は圧力下、高められた温度で圧密化されて、熱電材料を形成することができる。ナノ粒子を生成するために使用することができる熱電出発材料の種類は、限定はされないが、本明細書に開示されたあらゆるバルク材料および当業者に知られたその他を含む。従って、実施態様は、約1を超えるZT値(例えば、約2000℃未満の温度の)をもつ熱電材料を含むことができる。更に、または、その代りに、その方法は、n−ドープまたはp−ドープされた出発材料(例えば、元素のおよび/または合金である、バルクの熱電体)を使用することができる。   Another embodiment of the present application relates to a method for processing a thermoelectric material. In such a method, a plurality of nanoparticles are generated from the thermoelectric material. The nanoparticles can be consolidated at elevated temperatures under pressure to form a thermoelectric material. The types of thermoelectric starting materials that can be used to produce the nanoparticles include, but are not limited to, any bulk material disclosed herein and others known to those skilled in the art. Thus, embodiments can include a thermoelectric material having a ZT value greater than about 1 (eg, at a temperature less than about 2000 ° C.). Additionally or alternatively, the method can use n-doped or p-doped starting materials (eg, bulk thermoelectrics that are elemental and / or alloys).

熱電材料からナノ粒子を生成するために種々の方法を使用することができる。幾つかの実施態様において、ナノ粒子は熱電材料を粉砕することにより製造される。粉砕はプラネタリー運動、八の字様運動または何か他の運動を使用するボールミルのようなミルを使用して実施することができる。ナノ粒子を生成する時には、幾つかの粉砕法のような幾つかの方法は実質的な熱を発生し、それがナノ粒子の粒度および特性に影響を与えることができる(例えば、粒子の凝集(agglomeration)をもたらす)。従って、幾つかの実施態様において、材料を粉砕中、熱電材料の冷却を実施することができる。このような冷却は熱電材料をより脆弱にさせ、そしてナノ粒子の生成を容易にするかも知れない。冷却および粒子生成は湿式ミルおよび/または極低温ミル(例えば、ミルの周囲のドライアイスまたは液体窒素の存在下で)により達成することができる。本発明の実施態様はまた、ナノ粒子を形成する他の方法を使用することができる。このような方法は気相凝縮、湿式化学法、高速における溶融材料のスピンおよび他の適当な方法を含むことができる。   Various methods can be used to produce nanoparticles from thermoelectric materials. In some embodiments, the nanoparticles are produced by grinding a thermoelectric material. Grinding can be performed using a mill such as a ball mill that uses a planetary movement, an eight-shaped movement or some other movement. When producing nanoparticles, some methods, such as some milling methods, generate substantial heat, which can affect the size and properties of the nanoparticles (eg, particle aggregation ( agglomeration)). Thus, in some embodiments, cooling of the thermoelectric material can be performed while the material is being ground. Such cooling may make the thermoelectric material more brittle and facilitate the generation of nanoparticles. Cooling and particle generation can be accomplished by a wet mill and / or a cryogenic mill (eg, in the presence of dry ice or liquid nitrogen around the mill). Embodiments of the invention can also use other methods of forming nanoparticles. Such methods may include gas phase condensation, wet chemical methods, spinning of molten material at high speeds and other suitable methods.

圧力下および高温下でのナノ粒子の圧密化は種々の条件下で種々の方法で実施することができる。スパークプラズマ焼結としても知られるホットプレス(本明細書では「PC」)のような方法を使用して、圧密化期間中に所望の圧力および温度をかけることができる。この方法の説明およびこの方法を実施するための装置は、本明細書にその全体を、参照により引用されたこととする、2004年10月29日に出願の米国特許出願番号第10/977,363号をもつ、米国特許出願第2006/0102224号中に利用可能である。 Consolidation of nanoparticles under pressure and elevated temperature can be performed in different ways under different conditions. A method such as hot pressing (herein “P 2 C”), also known as spark plasma sintering, can be used to apply the desired pressure and temperature during the consolidation period. A description of this method and an apparatus for carrying out this method are described in US patent application Ser. No. 10/977, filed Oct. 29, 2004, which is hereby incorporated by reference in its entirety. No. 363, which is available in U.S. Patent Application No. 2006/0102224.

使用される圧力は典型的には、ナノ粒子の圧密化を達成するための低温の使用を許す、超大気圧である。一般に、使用される圧力は、約10MPa〜約900MPaの範囲内に
あることができる。幾つかの実施態様において、圧力は約40MPa〜約300MPaの範囲内にある。他の実施態様において、圧力は約60MPa〜約200MPaの範囲内にある。
The pressure used is typically superatmospheric, allowing the use of low temperatures to achieve nanoparticle consolidation. In general, the pressure used can be in the range of about 10 MPa to about 900 MPa. In some embodiments, the pressure is in the range of about 40 MPa to about 300 MPa. In other embodiments, the pressure is in the range of about 60 MPa to about 200 MPa.

高温に関しては、一定の温度範囲を使用することができる。一般に、温度は典型的には約200℃〜熱電材料のほぼ融点までの範囲内にある。幾つかの代表的実施態様において、温度は約400℃〜約2000℃、約400℃〜約1200℃、約400℃〜約600℃、約400℃〜約550℃の範囲内にある。幾つかの代表的n−ドープ材料に対する温度は約450℃〜約550℃の範囲内にあるが、幾つかの代表的p−ドープ材料に対する範囲は数度高い(例えば、約475℃〜580℃の範囲内)。nおよびp−型材料の処理に関連して他の温度範囲を使用することもできる。これらの具体的圧力および温度範囲は、好ましくはBiSbTe合金およびBiSeTe合金のような材料に適用することができるが、それらはどんな材料にも使用することができる。   For high temperatures, a certain temperature range can be used. In general, the temperature is typically in the range of about 200 ° C. to about the melting point of the thermoelectric material. In some exemplary embodiments, the temperature is in the range of about 400 ° C to about 2000 ° C, about 400 ° C to about 1200 ° C, about 400 ° C to about 600 ° C, about 400 ° C to about 550 ° C. The temperature for some typical n-doped materials is in the range of about 450 ° C. to about 550 ° C., but the range for some typical p-doped materials is several degrees higher (eg, about 475 ° C. to 580 ° C. Within range). Other temperature ranges can also be used in connection with processing of n and p-type materials. These specific pressure and temperature ranges are preferably applicable to materials such as BiSbTe alloys and BiSeTe alloys, but they can be used for any material.

圧力および温度はナノ粒子の圧密化を許すために十分な時間維持することができる。幾つかの実施態様において、その時間は約1秒〜約10時間の範囲にある。   The pressure and temperature can be maintained for a time sufficient to allow consolidation of the nanoparticles. In some embodiments, the time is in the range of about 1 second to about 10 hours.

他の圧密化もまた、本出願書に記載された熱電材料を形成するために使用することができる。例えばナノ粒子を他の微粒子に高速で衝突させて、低温圧密化を達成することができる。場合により、その後の加熱処理を、熱電材料を形成するために使用することができる。他の圧密化法は、粒子を圧密化するためにほとんどまたは全く圧力を使用せずに粒子(例えば、ナノ粒子)の焼きなましを使用することができる。このような場合には、焼きなまし期間中、どんな圧力下で試料が維持されても、粒子の焼きなましを誘導するように温度を選択することができる。他の場合には、比較的低温、高圧下で粒子を圧密化して、100%理論密度に近い密度をもつ材料のような圧密化材料を形成することができる。その後、圧密化材料は高温で焼きなまして、熱電材料を形成することができる。従って、圧密化法はPCまたはホットプレス法に限定される必要はない。 Other consolidations can also be used to form the thermoelectric materials described in this application. For example, nanoparticles can be collided with other fine particles at high speed to achieve low temperature consolidation. In some cases, subsequent heat treatment can be used to form the thermoelectric material. Other consolidation methods can use annealing of particles (eg, nanoparticles) with little or no pressure to compact the particles. In such cases, the temperature can be selected to induce particle annealing no matter what pressure the sample is maintained during the annealing period. In other cases, the particles can be consolidated at a relatively low temperature and pressure to form a consolidated material, such as a material having a density close to 100% theoretical density. The consolidated material can then be annealed at a high temperature to form a thermoelectric material. Therefore, the consolidation method need not be limited to P 2 C or hot press methods.

代表的実施態様として、市販材料からの種々の物質のナノ粉末を高エネルギーボールミルにより製造して、1nmのように小さい粒度をもつナノ粒子を得ることができる。場合により、乾式ミルを湿式ミルおよび/または極低温ミルと組み合わせて、ミル期間中に生成される熱による、より大きい粒度の粒子中への粉砕粒子の凝集を妨げることができる。この方法で、より分散された粒子を得ることができる。これらの粉末はPC法を含むホットプレスにより固形試料に圧密化することができる。多数の実施態様において、理論値のほぼ100%の密度を、短期間以内に(典型的には、1試料当たり約1〜約10分間)この方法により達成することができる。これらの方法により調製されるホットプレス試料の格子熱伝導度は、バルク材料に匹敵する力率を維持しながら、n−型およびp−型双方における最初の値の一部にまで減少させ、それによりZT値を実質的に高めることができる。 As an exemplary embodiment, nano-powders of various substances from commercially available materials can be produced by a high energy ball mill to obtain nanoparticles having a particle size as small as 1 nm. Optionally, the dry mill can be combined with a wet mill and / or a cryogenic mill to prevent the agglomeration of the ground particles into larger size particles due to the heat generated during the mill. In this way, more dispersed particles can be obtained. These powders can be consolidated into a solid sample by hot pressing including a P 2 C method. In many embodiments, a density of approximately 100% of theory can be achieved by this method within a short period of time (typically about 1 to about 10 minutes per sample). The lattice thermal conductivity of hot pressed samples prepared by these methods is reduced to some of the initial values in both n-type and p-type, while maintaining a power factor comparable to the bulk material, Thus, the ZT value can be substantially increased.

例えば、BiSb2−xTe[ここでxは約0〜約0.8の範囲にあることができる]のp−型市販材料においては、市販材料は約1の最高ZT値を有し、そこで、ボールミルおよびホットプレス後に、それは1.4以上の高さになることができる。これらの増加は主として、試料中のナノ構造物の存在に由来される減少した熱伝導度による。 For example, in a p-type commercial material of Bi x Sb 2-x Te 3 where x can range from about 0 to about 0.8, the commercial material has a maximum ZT value of about 1. So, after ball milling and hot pressing, it can be higher than 1.4. These increases are mainly due to the reduced thermal conductivity resulting from the presence of nanostructures in the sample.

幾つかの実施態様において、熱電出発材料をナノ粒子に転化し(または何か他の粒子生成法を使用して)、そしてこれらのナノ粒子を圧密化する代りに、ナノ粒子を少なくとも2種の元素材料(例えば、元素のBiおよび元素のTe)から生成する(例えば、粉砕により)。次にナノ粒子を混合し、圧力および高められた温度で(例えば、前記に考察された圧力および温度)圧縮して、約1を超える、そして好ましくは約1.2、または約1
.5,または約2を超えるZT値を示す、最終的熱電材料(例えば、約500nm未満、そして好ましくは約1〜約100nmの範囲内のサイズをもつ粗粒を含む多結晶構造をもつもの)を生成する。
In some embodiments, instead of converting the thermoelectric starting material into nanoparticles (or using some other particle generation method) and consolidating these nanoparticles, the nanoparticles are converted into at least two types of nanoparticles. Generated from elemental material (eg, elemental Bi and elemental Te) (eg, by grinding). The nanoparticles are then mixed and compressed at pressure and elevated temperature (eg, pressure and temperature discussed above) to exceed about 1, and preferably about 1.2, or about 1
. A final thermoelectric material (e.g., having a polycrystalline structure including coarse grains having a size less than about 500 nm, and preferably in the range of about 1 to about 100 nm) exhibiting a ZT value greater than 5, or about 2 Generate.

代りの実施態様において、2種以上のバルク材料を同時に粉砕して、異なる組成を有する種々のナノ粒子を生成することができる。ナノ粒子を「機械的に合金させる」ために、粉砕法を使用することができる。機械的合金はまた2種以上の異なる粒子を別々に生成し、そして次に粒子を一緒に混合し、そして更にそれらを粉砕して、合金させ、そして粒子の粒度を減少させて合金のナノ粒子を形成することにより実施することができる。粒子を圧密化して、本出願書に考察された1種または複数の特性をもつ熱電材料を形成することができる。   In an alternative embodiment, two or more bulk materials can be ground simultaneously to produce a variety of nanoparticles having different compositions. Grinding methods can be used to “mechanically alloy” the nanoparticles. Mechanical alloys also produce two or more different particles separately and then mix the particles together and further grind, alloy and reduce the particle size of the alloy nanoparticles Can be carried out. The particles can be consolidated to form a thermoelectric material having one or more of the properties discussed in this application.

更に他の実施態様において、本明細書で考察されたいずれかの方法を使用して、異なる種類のナノ粒子を別々に生成し(例えば、ビスマスまたはテルルのようなバルクの元素材料を粉砕することにより)、次に一緒に混合し、圧密化すると、熱電材料を形成することができる。場合により、圧密化の前に、混合物の更なる粉砕を適用してもよい。これらの方法のいずれかにより形成される最終圧密化材料、例えば、BiTe2.8Se0.2のようなBiTe3−xSe[ここでxは約0〜約0.8の範囲内にある]、またはBi0.5Sb1.5TeのようなBiSb2−xTe[ここでxは約0〜約0.8の範囲内にある]は、本出願書内に記載される組成物のあらゆる特徴を持つことができる。 In yet other embodiments, any of the methods discussed herein may be used to separately generate different types of nanoparticles (e.g., grinding bulk elemental material such as bismuth or tellurium). And then mixed together and consolidated, a thermoelectric material can be formed. Optionally, further grinding of the mixture may be applied before consolidation. Final compaction material formed by any of these methods, for example, Bi 2 Te 3-x Se x [ wherein x is from about 0 to about 0.8, such as Bi 2 Te 2.8 Se 0.2 Or Bi x Sb 2-x Te 3 such as Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 where x is in the range of about 0 to about 0.8. It can have all the characteristics of the composition described in the application.

熱電材料を形成する目的の、他の実施態様は、本明細書で考察されたような熱電体を形成するために使用される、1種または複数の工程の反復を使用する。例えば、粒子(例えば、ナノ粒子)を1種または複数の出発材料(例えば、バルク出発熱電材料または元素材料)から生成し、材料構造物に圧密化することができる。次に、生成される構造物を使用して新規の複数の粒子(例えば、材料構造物を粉砕することにより)を生成し、次にそれを圧密化して、他の材料構造物を形成することができる。この工程は最終熱電材料を形成するために何度でも反復してよい。このような工程は、完全に混合された小さい粒度を生成することを支援する。   Other embodiments for the purpose of forming thermoelectric materials use one or more process iterations used to form thermoelectrics as discussed herein. For example, particles (eg, nanoparticles) can be generated from one or more starting materials (eg, bulk starting thermoelectric material or elemental material) and consolidated into a material structure. The resulting structure is then used to generate a new plurality of particles (eg, by crushing the material structure), which is then consolidated to form another material structure Can do. This process may be repeated any number of times to form the final thermoelectric material. Such a process helps to produce a fully mixed small particle size.

幾つかの実施態様に対して、生成されている(例えば、ボールミル工程中)粒子を酸化から保護することは有益であることができる。保護法の限定されない例は、生成された粒子(例えば、材料の粉砕が実施される環境)を相対的真空または大気圧に対して低い酸素を含む環境のような酸素枯渇環境に暴露する工程を含む。生成された微粒子はまた、表面に対する酸素暴露を減少させるためにある種の化学的コーティングにさらすことができ、そのコーティングは場合により、熱電材料の製造工程で、後に除去することができる。従って、保護スキームは、当業者に知られたものを含む多数の適当な方法を含むことができる。   For some embodiments, it may be beneficial to protect the particles being produced (eg, during the ball mill process) from oxidation. A non-limiting example of a protection method involves exposing the produced particles (eg, the environment in which the grinding of the material is performed) to an oxygen-depleted environment, such as an environment containing low oxygen relative to a relative vacuum or atmospheric pressure. Including. The microparticles produced can also be exposed to certain chemical coatings to reduce oxygen exposure to the surface, which can optionally be removed later in the thermoelectric material manufacturing process. Thus, the protection scheme can include a number of suitable methods, including those known to those skilled in the art.

以下の実験部門は本発明の種々の態様の更なる例示のため、そして高い熱電特性を示す熱電材料を生成するための本発明の方法を使用する実行可能性を示すために提供されている。しかし、以下の実施例は表示の目的のためのみに提供され、必ずしも、本発明の方法を実行することにより達成可能な最適な結果を示すものではないことを理解しなければならない。
[実施例]
The following experimental division is provided for further illustration of various embodiments of the present invention and to demonstrate the feasibility of using the method of the present invention to produce thermoelectric materials exhibiting high thermoelectric properties. However, it should be understood that the following examples are provided for display purposes only and do not necessarily represent the optimal results achievable by performing the method of the present invention.
[Example]

ナノ結晶バルクp−型Bi Sb 2−x Te 材料
市販材料(p−型のBiSbTe合金インゴット)を粉砕し、酸化を回避するためにア
ルゴン雰囲気下でグローブ箱中でジルコニアジャー中に充填した。幾つかのジルコニアのボール(5〜15mmの粒度)も添加して、シールした。シールしたジャーをボールミル中に入れ、100〜2000rpmの速度で合計約0.5〜50時間粉砕した。粉末を走査電子顕微鏡(SEM)、透過電子顕微鏡(TEM)およびx−線回折(XRD)を使用して特徴を調べた。
Nanocrystalline bulk p-type Bi x Sb 2-x Te 3 material commercial material (p-type BiSbTe alloy ingot) was ground and filled into zirconia jars in a glove box under argon atmosphere to avoid oxidation . Several zirconia balls (5-15 mm particle size) were also added and sealed. The sealed jar was placed in a ball mill and ground at a speed of 100-2000 rpm for a total of about 0.5-50 hours. The powder was characterized using a scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM) and x-ray diffraction (XRD).

図3はボールミル粉砕後のナノ粉末のx−線回折(XRD)図を示す。XRD図は、粉末が単一相であり、そしてBi0.5Sb1.5Teのものとよく合致することを示す。広がった回折ピークは、粒子が小さいことを示す。小さいサイズは図2Aに表されたナノ粉末の走査電子顕微鏡(SEM)像および図2Bに提示された粉末の低倍率の透過電子顕微鏡(TEM)像により確証される。図2Bの低解像度のTEM像は、ナノ粒子が数nm〜約50nmのサイズ、約20nmの平均サイズをもつことを明白に示す。図2Cにより提示される高解像度のTEM像は、良好な熱電特性に所望される、ナノ粒子の良好な結晶性および明白な粒子表面を確証した。図2Cの挿入図はまた、幾つかのナノ粒子は5nm未満ですらあることを示す。 FIG. 3 shows an x-ray diffraction (XRD) diagram of the nanopowder after ball milling. The XRD diagram shows that the powder is single phase and matches well with that of Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 . A broadened diffraction peak indicates that the particles are small. The small size is confirmed by the scanning electron microscope (SEM) image of the nanopowder represented in FIG. 2A and the low magnification transmission electron microscope (TEM) image of the powder presented in FIG. 2B. The low resolution TEM image of FIG. 2B clearly shows that the nanoparticles have a size of a few nm to about 50 nm, an average size of about 20 nm. The high resolution TEM image presented by FIG. 2C confirmed the good crystallinity of the nanoparticles and the obvious particle surface desired for good thermoelectric properties. The inset in FIG. 2C also shows that some nanoparticles are even less than 5 nm.

一旦粉末を得ると、粉末試料を、1/2”直径のダイ中に充填されたナノ粉末のホットプレスにより、1/2”の直径で、2〜12mmの厚さのバルクのディスク試料に加工した。酸化を防止するためにグローブ箱中に保存された粉砕後の粉末を、黒鉛のダイ中に充填し、DCホットプレス法を使用してペレットに圧縮した(図4参照)。ホットプレス条件のパラメーターは40〜160MPaおよび450℃〜600℃である。密度はすべての組成物に対し理論値の100%に近い。1/2”直径および2mm厚さのディスクおよび約2×2×12mmの棒を、DCおよびAC法双方を使用する電気および熱伝導度およびゼーベック係数の測定のために、圧縮ディスクから切断し、研磨した。 Once the powder is obtained, the powder sample is processed into a 2-12 mm thick bulk disk sample at 1/2 "diameter by hot pressing nanopowder filled in a 1/2" diameter die. did. The ground powder stored in the glove box to prevent oxidation was filled into a graphite die and compressed into pellets using a DC hot press method (see FIG. 4). The parameters of the hot press conditions are 40 to 160 MPa and 450 ° C. to 600 ° C. The density is close to 100% of theory for all compositions. A 1/2 "diameter and 2 mm thick disk and approximately 2 x 2 x 12 mm 3 bars were cut from the compressed disk for measurement of electrical and thermal conductivity and Seebeck coefficient using both DC and AC methods. Polished.

ホットプレスした試料を調製する際に、典型的には、選択された圧力に粉末をさらし、装置を目標の加熱速度で稼働させる。選択された高温に到達すると、試料を、約0分〜約60分のいずれかの間、好ましくは約0分〜約30分間、約0分〜約10分間、または約0分〜5分未満の間(例えば、2分間)その温度および圧力に維持する。次に冷却を開始する。しかし、試料が高温に到達する途中またはその後に圧力をかけることができることは理解される。   In preparing a hot pressed sample, the powder is typically exposed to a selected pressure and the apparatus is operated at a target heating rate. Upon reaching the selected high temperature, the sample may be between about 0 minutes to about 60 minutes, preferably about 0 minutes to about 30 minutes, about 0 minutes to about 10 minutes, or about 0 minutes to less than 5 minutes. Maintain that temperature and pressure during (for example, 2 minutes). Next, cooling is started. However, it is understood that pressure can be applied during or after the sample reaches a high temperature.

図5〜9はホットプレスしたナノ結晶材料(BP0572とラベル)および市販の材料(com ingotとラベル)のp−型BiSbTe合金インゴットの種々の特性の温度依存性を比較している。図5〜9においてすべての特性は同一試料から測定される。円筒状の厚いディスクをホットプレスし、プレス方向に沿って、そして垂直に切断し、次に測定する。ナノ結晶のばら試料の温度安定性を試験するために、同一試料を250℃まで反復して測定した。特性のどんな有意な劣化も認めなかった。   FIGS. 5-9 compare the temperature dependence of various properties of hot-pressed nanocrystalline material (labeled BP0572) and commercially available material (labeled com ingot) p-type BiSbTe alloy ingots. 5-9 all properties are measured from the same sample. A cylindrical thick disc is hot pressed, cut along the pressing direction and vertically, and then measured. To test the temperature stability of the bulk sample of nanocrystals, the same sample was measured repeatedly up to 250 ° C. No significant degradation of properties was observed.

図5はナノ結晶と市販の試料の電気伝導度の温度依存性を比較している。電気伝導度は4点電流切り替え法(four−point current−switching)により測定された。ナノ結晶バルク試料の電気伝導度は市販インゴットのものよりわずかに高い。   FIG. 5 compares the temperature dependence of the electrical conductivity of the nanocrystal and the commercial sample. The electrical conductivity was measured by a four-point current-switching method. The electrical conductivity of the nanocrystal bulk sample is slightly higher than that of the commercial ingot.

図6はナノ結晶と市販の試料のゼーベック係数の温度依存性を示し、他方、図7は試料の力率(Sσ)の温度依存性を比較している。ゼーベック係数を、ディスク面に沿って切断された2×2mmの断面および12mmの長さのディメンションをもつ、同一の棒状の試料上で、市販の装置(ZEM−3、Ulvac,Inc.)を使用して、電圧対温度差曲線の勾配に基づく、スタティックDC法により測定した。これらの特性はまた、同一試料上で手作りの装置上で測定した。2組の測定値は相互に5%内にある。ナノ結晶試
料のゼーベック係数は温度に応じてインゴットの係数よりわずかに低いかまたは高く、それは、ナノ結晶の試料の力率を75℃未満の市販のインゴットの係数に匹敵させ、そして75℃を超える市販のインゴットの係数より高くさせる。
FIG. 6 shows the temperature dependence of the Seebeck coefficient between the nanocrystal and the commercial sample, while FIG. 7 compares the temperature dependence of the sample power factor (S 2 σ). The Seebeck coefficient was measured using a commercially available device (ZEM-3, Ulvac, Inc.) on the same rod-shaped sample with a 2 × 2 mm 2 cross section cut along the disk surface and a 12 mm length dimension. Used to measure by the static DC method based on the slope of the voltage vs. temperature difference curve. These properties were also measured on a handmade device on the same sample. The two sets of measurements are within 5% of each other. The Seebeck coefficient of the nanocrystal sample is slightly lower or higher than the ingot coefficient depending on the temperature, which makes the power factor of the nanocrystal sample comparable to that of a commercial ingot below 75 ° C. and above 75 ° C. The coefficient is higher than that of a commercially available ingot.

図8はナノ結晶および市販の試料の熱伝導度の温度依存性を表す。熱伝導度は試料の熱拡散率および熱容量の測定から誘導される。熱拡散率は市販装置(Netzsch Instruments,Inc.)を使用して、ディスクの軸方向に沿ってディスク上でレーザー−フラッシュ法により測定した。レーザー−フラッシュ測定後、棒をディスクからダイス切断し、それらの熱拡散率を手製装置においてオングストローム法を使用して棒(ディスク面)方向に沿って測定した。棒およびディスクの熱拡散率値は5%以内で一致する。   FIG. 8 represents the temperature dependence of the thermal conductivity of nanocrystals and commercial samples. Thermal conductivity is derived from measurements of the thermal diffusivity and heat capacity of the sample. The thermal diffusivity was measured by a laser-flash method on the disk along the axial direction of the disk using a commercially available device (Netzsch Instruments, Inc.). After laser-flash measurement, the bars were diced from the disk, and their thermal diffusivity was measured along the bar (disk surface) direction using an angstrom method in a handmade device. The thermal diffusivity values of the bars and disks agree within 5%.

図9はナノ結晶および市販試料の温度の関数としての示性数、ZTの変化を記録している。ナノ結晶のバルク試料の熱伝導度は市販インゴットのものより有意に低く、そして更に重要なことには、その差が温度増加とともに増加するために、これは20〜250℃の温度範囲で有意に高いZTをもたらす。図9はまた、ピークZT値がより高温(100℃)に移動することを示す。ナノ結晶のバルク試料のピークZTは100℃で約1.4であり、それは市販のBiTe−基剤の合金の値より有意に高い。市販インゴットのZT値は75℃より上で低下を開始し、250℃で0.25未満に低下する。それに対し、ナノ結晶のバルク試料は250℃で0.8を超えるZTを示す。この温度範囲には高いZTをもつ現在利用可能な良好な材料が存在しないので、このようなZTの特徴は発電適用に非常に所望される。 FIG. 9 records the change in the figure of merit, ZT, as a function of temperature for nanocrystals and commercial samples. The thermal conductivity of the bulk sample of nanocrystals is significantly lower than that of commercial ingots, and more importantly, because the difference increases with increasing temperature, this is significantly greater in the temperature range of 20-250 ° C. High ZT results. FIG. 9 also shows that the peak ZT value moves to a higher temperature (100 ° C.). The peak ZT of the nanocrystalline bulk sample is about 1.4 at 100 ° C., which is significantly higher than the value of commercially available Bi 2 Te 3 -based alloys. The ZT value of commercial ingots begins to drop above 75 ° C and drops below 0.25 at 250 ° C. In contrast, a bulk sample of nanocrystals exhibits a ZT of greater than 0.8 at 250 ° C. Since there is no good material currently available with high ZT in this temperature range, such ZT features are highly desirable for power generation applications.

透過電子顕微鏡(TEM)を使用して、ナノ結晶のバルク試料について詳細な微細構造の試験を実施した。バルクのナノ結晶試料をダイス切断し、研磨し、そしてイオンミルすることによりTEM試験片を調製した。ホットプレスしたナノ結晶のバルクペレットを2×3×1mmのブロックに切断し、機械的Tripod Polisherを使用して2×3×0.002mmに粉砕した。試料を銅グリッドに糊付けし、3.5度の入射角で3.2kVの入射エネルギーおよび15μAのビーム電流により30分間Precision Ion Polishing System(Gatan Inc.)を使用して粉砕した。図10〜15は、観察された主要な構造特徴物を示す幾つかの代表的TEM顕微鏡写真を示す。   A detailed microstructure test was performed on a bulk sample of nanocrystals using a transmission electron microscope (TEM). TEM specimens were prepared by dicing, polishing, and ion milling bulk nanocrystal samples. Hot pressed nanocrystalline bulk pellets were cut into 2 × 3 × 1 mm blocks and ground to 2 × 3 × 0.002 mm using a mechanical Tripod Polisher. The sample was glued to a copper grid and ground using a Precision Ion Polishing System (Gatan Inc.) for 30 minutes with an incident energy of 3.2 kV and a beam current of 15 μA at an incident angle of 3.5 degrees. Figures 10-15 show some representative TEM micrographs showing the major structural features observed.

図10および11に示すように、大部分の粗粒は一般に、ナノサイズである。更にナノ粒子は非常に明快な境界をもつ、高度に結晶性で、ランダムに配向されている(格子面中に大きい角度)。図11に示すように、ナノ粒子は完全な圧密化試料を示唆する密度測定値と一致して、密に圧縮されている可能性がある。幾つかのより大きい粗粒もまた、図12に示される。図13に示すような高解像度のTEM顕微鏡は、これらの粗粒が境界をもたない、2〜10nmの粒度のナノドットからなることを示す。これらのナノドットは典型的にはBi:Sb:Te=8:44:48に近い代表的組成を伴いSb濃度が高く、SbはTeに置き換えられる。幾つかのナノドットは図13に示すようにマトリックスと境界をもたないが、他の観察されたナノドットは図14に示すようにマトリックスと小角度の境界を含んだ。図15に示すように、5〜30nmの範囲内のサイズの純粋なTe沈殿物も認められた。図15の挿入図に示される、選択された領域の電子回折図がTe相を確証した。一般的に、ナノドットは各50nm直径領域内に認めることができた。   As shown in FIGS. 10 and 11, most of the coarse grains are generally nano-sized. Furthermore, the nanoparticles are highly crystalline and randomly oriented (large angles in the lattice plane) with very clear boundaries. As shown in FIG. 11, the nanoparticles may be densely compressed, consistent with density measurements suggesting a fully consolidated sample. Some larger coarse grains are also shown in FIG. A high-resolution TEM microscope as shown in FIG. 13 shows that these coarse particles consist of nanodots with a particle size of 2 to 10 nm with no boundaries. These nanodots typically have a typical composition close to Bi: Sb: Te = 8: 44: 48 with a high Sb concentration, and Sb is replaced by Te. Some nanodots have no matrix and boundary as shown in FIG. 13, while other observed nanodots included a matrix and small angle boundary as shown in FIG. As shown in FIG. 15, pure Te precipitates with sizes in the range of 5-30 nm were also observed. An electron diffractogram of selected regions, shown in the inset of FIG. 15, confirmed the Te phase. In general, nanodots could be seen in each 50 nm diameter region.

必ずしも何か特定の説に制約はされないが、これらのナノドットはホットプレス加熱および冷却工程中に形成されることができたと仮定することができる。図12に示されるように、ナノドットを含む、より大型の粗粒は、ボールミル期間中のインゴットの不均一な粉砕の結果であることができると考えられる。これらの大型の粗粒は、Oswald R
ipeningによるホットプレス圧縮期間中に更に大きく成長したかも知れない。ナノ粒子のような我々の物質中に、多数のナノサイズの界面の特徴物が与えられたので、ナノドットが強力な音子散乱の唯一の理由ではないかも知れない。
Although not necessarily limited to any particular theory, it can be assumed that these nanodots could be formed during the hot press heating and cooling process. As shown in FIG. 12, it is believed that larger coarse grains containing nanodots can be the result of non-uniform grinding of the ingot during the ball mill. These large coarse grains are Oswald R
It may have grown even more during hot press compression due to ipening. Nanodots may not be the only reason for strong phonon scattering, as many nano-sized interface features were given in our materials such as nanoparticles.

ナノ結晶性SiGe材料
出発材料として、pおよびn−型双方のケイ素およびゲルマニウム元素材料を使用し、ボールミルを使用して粉砕して、約1〜約200nmの粒度をもつナノ粒子を形成した。これらの元素材料は、幾つかの場合には約0.01未満のZTをもつことができる。更に、粒子を形成するためにSiGe合金を使用して、最終製造材料に更なる改善をもたらすことができたと考えられることは理解される。試料を約40〜約200MPaの圧力および約900℃〜1300℃の温度でホットプレスして、熱電材料の試料を形成した。
As nanocrystalline SiGe material starting material, both p and n-type silicon and germanium elemental materials were used and ground using a ball mill to form nanoparticles having a particle size of about 1 to about 200 nm. These elemental materials can have a ZT of less than about 0.01 in some cases. Furthermore, it is understood that using SiGe alloys to form particles could have resulted in further improvements in the final manufactured material. The sample was hot pressed at a pressure of about 40 to about 200 MPa and a temperature of about 900 ° C. to 1300 ° C. to form a sample of thermoelectric material.

図16〜19はp−型SiGeのボールミルされたばら材料から形成された、ホットプレスしたナノ結晶性材料の種々の特性の温度依存性を示すグラフを表す。特性は図5〜9に以前に説明されたものと同様な方法を使用して測定した。図16はナノ結晶性p−型SiGe試料の電気伝導度の温度依存性を示す。図17はナノ結晶性p−型SiGe試料のゼーベック係数の温度依存性を表す。図18はp−型SiGe試料の熱伝導度の温度依存性を表す。図19はナノ結晶性p−型SiGe試料の温度の関数としての示性数、ZTの変化を記録する。   FIGS. 16-19 represent graphs showing the temperature dependence of various properties of hot-pressed nanocrystalline materials formed from p-type SiGe ball milled bulk materials. Properties were measured using methods similar to those previously described in FIGS. FIG. 16 shows the temperature dependence of the electrical conductivity of the nanocrystalline p-type SiGe sample. FIG. 17 represents the temperature dependence of the Seebeck coefficient of a nanocrystalline p-type SiGe sample. FIG. 18 represents the temperature dependence of the thermal conductivity of the p-type SiGe sample. FIG. 19 records the change in the characteristic number, ZT, as a function of temperature for the nanocrystalline p-type SiGe sample.

図20〜23はn−型SiGeのボールミルされたバルク材料から形成された、ホットプレスされたナノ結晶性材料の種々の特性の温度依存性を示すグラフを表す。図20はナノ結晶性n−型SiGe試料の電気伝導度の温度依存性を示す。図17はナノ結晶性n−型SiGe試料のゼーベック係数の温度依存性を表す。図18はn−型SiGe試料の熱伝導度の温度依存性を表す。図19はナノ結晶性n−型SiGe試料の温度の関数としての示性数、ZTの変化を記録する。   20-23 represent graphs illustrating the temperature dependence of various properties of hot pressed nanocrystalline materials formed from n-type SiGe ball milled bulk materials. FIG. 20 shows the temperature dependence of the electrical conductivity of the nanocrystalline n-type SiGe sample. FIG. 17 represents the temperature dependence of the Seebeck coefficient of a nanocrystalline n-type SiGe sample. FIG. 18 shows the temperature dependence of the thermal conductivity of the n-type SiGe sample. FIG. 19 records the change in the characteristic number, ZT, as a function of temperature for a nanocrystalline n-type SiGe sample.

図24〜26はナノ結晶性材料と関連したp−型SiGe材料のTEM顕微鏡写真を表す。図24は、粉砕粒子のナノサイズの粒子を示す、SiGeバルク材料のボールミル粉末試料のTEM顕微鏡写真を表す。図25はホットプレス後のSiGe粉末試料のTEM顕微鏡写真を示す。顕微鏡写真は、密に圧密化され、ナノサイズの範囲内にあるホットプレスした材料の多数の粗粒を示す。図25の挿入図は、試料上で採られた選択された領域の電子回折図を与える。図26は試料の種々の粗粒のナノサイズを更に示すホットプレスしたSiGe試料の高解像度のTEMを表し、音子散乱を目標とした、多数の粗粒の境界を示す。   24-26 represent TEM micrographs of p-type SiGe materials associated with nanocrystalline materials. FIG. 24 represents a TEM micrograph of a ball mill powder sample of SiGe bulk material showing nano-sized particles of ground particles. FIG. 25 shows a TEM micrograph of the SiGe powder sample after hot pressing. The micrograph shows a large number of coarse grains of hot pressed material that are densely consolidated and in the nano-sized range. The inset of FIG. 25 gives an electron diffractogram of selected areas taken on the sample. FIG. 26 represents a high resolution TEM of a hot-pressed SiGe sample further illustrating the nano-size of the various coarse grains of the sample, showing a number of coarse grain boundaries targeted for phonon scattering.

ナノ結晶性p−型BiSbTe材料の温度調整
示性数、ZTが種々の温度状態にいかにして調整されることができるかを示すために、ナノ結晶性p−型BiSbTe合金材料の試料を調製した。とりわけ、BiSb2−xTe型の材料を、選択されたxの値に応じて種々の化学量論的量で調製することができる。2種の具体的な例の試料:Bi0.3Sb1.7Teの化学量論的量をもつp−型ナノ結晶の、ホットプレスした材料およびBi0.5Sb1.5Teの化学量論的量をもつp−型ナノ結晶の、ホットプレスした材料、を調製した。適当なばらの出発材料をボールミルにより粉砕して、ナノ粒子試料を形成した。試料を40〜160MPaおよび450℃〜600℃で、約5分間まで圧縮した。
Samples of nanocrystalline p-type BiSbTe alloy materials were prepared to show how the temperature-tuning index of nanocrystalline p-type BiSbTe material , ZT can be tuned to various temperature states did. In particular, Bi x Sb 2-x Te 3 type materials can be prepared in various stoichiometric amounts depending on the value of x selected. Samples of two specific examples: p-type nanocrystals with a stoichiometric amount of Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 , hot pressed material and Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 A p-type nanocrystalline, hot-pressed material with a stoichiometric amount of Appropriate loose starting materials were ground with a ball mill to form a nanoparticle sample. The sample was compressed at 40-160 MPa and 450 ° C.-600 ° C. for up to about 5 minutes.

図27〜30は、ナノ結晶性Bi0.3Sb1.7Te試料の電気伝導度、ゼーベック係数、熱伝導度およびZTそれぞれの温度依存性を表し、他方、図31〜34はナノ結
晶性Bi0.5Sb1.5Te試料の電気伝導度、ゼーベック係数、熱伝導度およびZTそれぞれの温度依存性を表す。測定は実施例1に記載のように実施した。図30および34に見ることができるように、Bi0.3Sb1.7Te試料のピークZT値は約150℃で測定され、他方、Bi0.5Sb1.5Te試料のピークZT値は約75℃で測定された。
FIGS. 27-30 show the temperature dependence of the electrical conductivity, Seebeck coefficient, thermal conductivity and ZT of the nanocrystalline Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 sample, while FIGS. 31-34 show the nanocrystals The electrical conductivity, Seebeck coefficient, thermal conductivity, and temperature dependence of each of ZT of the characteristic Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 sample are shown. Measurements were performed as described in Example 1. As can be seen in FIGS. 30 and 34, the peak ZT value of the Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 sample was measured at about 150 ° C., whereas the peak of the Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 sample The ZT value was measured at about 75 ° C.

従って、結果は、ナノ結晶性材料のピークZTは特定の温度範囲の適用に対して調整することができることを示す。例えば、より低い温度ピークの材料は冷却のような室温に近い使用を目的とする適用に使用することができ−他方、より高い温度ピークの材料は発電のような高温の適用に使用することができる。   Thus, the results show that the peak ZT of the nanocrystalline material can be adjusted for a specific temperature range application. For example, lower temperature peak materials can be used for applications intended for near room temperature use such as cooling-while higher temperature peak materials can be used for higher temperature applications such as power generation. it can.

本明細書に考察された種々の実施態様は、実験結果とともに、本発明の範囲を単に代表する、種々の方法および材料を説明することが理解される。実際、当業者は、本明細書に開示された方法および材料に対する多数の他の変更を実施することができることを容易に認めるであろう。すべてのこのような変更はこれも本発明の範囲内にある関連した実施態様を表す。同様に、明細書および請求項中に使用される成分、反応条件、等の量を表すすべての数値は、すべての場合に、用語「約」により修飾されているものと理解できる。従って、逆を言及されない限り、本明細書および添付請求項中に提示される数値パラメーターは、所望の特性に応じて変動することができる近似値である。   It is understood that the various embodiments discussed herein, along with experimental results, describe various methods and materials that are merely representative of the scope of the invention. Indeed, those skilled in the art will readily appreciate that numerous other modifications to the methods and materials disclosed herein can be implemented. All such modifications represent related embodiments which are also within the scope of the invention. Similarly, all numerical values representing amounts of ingredients, reaction conditions, etc. used in the specification and claims can be understood as being modified in all cases by the term “about”. Thus, unless stated to the contrary, the numerical parameters presented herein and in the appended claims are approximations that can vary depending on the desired properties.

Claims (92)

熱電出発材料から複数のナノ粒子を生成し、そして
高められた温度、圧力下で前記ナノ粒子を圧密化して、少なくとも1の温度において熱電出発材料より高いZT値を有する、密度を高めた熱電材料を形成する工程
を含んでなる熱電材料を加工する方法。
A density-enhanced thermoelectric material that produces a plurality of nanoparticles from a thermoelectric starting material and consolidates the nanoparticles under elevated temperature, pressure, and has a higher ZT value than the thermoelectric starting material at at least one temperature A method of processing a thermoelectric material comprising a step of forming a film.
熱電材料が約1より大きいZT値を示すような圧力および高められた温度を選択する工程:
を更に含んでなる、請求項1の方法。
Selecting a pressure and elevated temperature such that the thermoelectric material exhibits a ZT value greater than about 1:
The method of claim 1 further comprising:
熱電材料が約2000℃未満の温度で前記ZT値を示す、請求項1の方法。   The method of claim 1, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature less than about 2000 ° C. 熱電材料が約1000℃未満の温度で前記ZT値を示す、請求項3の方法。   The method of claim 3, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature less than about 1000 ° C. 熱電材料が約600℃未満の温度で前記ZT値を示す、請求項4の方法。   The method of claim 4, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature less than about 600 ° C. 熱電材料が約200℃未満の温度で前記ZT値を示す、請求項5の方法。   The method of claim 5, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature less than about 200 ° C. 熱電材料が約20℃未満の温度で前記ZT値を示す、請求項6の方法。   The method of claim 6, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature less than about 20 ° C. 複数のナノ粒子を生成する工程が、熱電材料を粉砕する工程を含む、請求項1の方法。   The method of claim 1, wherein generating the plurality of nanoparticles comprises grinding the thermoelectric material. 熱電材料を粉砕しながら冷却する工程を更に含んでなる、請求項8の方法。   The method of claim 8, further comprising cooling the thermoelectric material while grinding. 熱電材料を粉砕する工程がボールミル粉砕を使用する工程を含んでなる、請求項9の方法。   10. The method of claim 9, wherein the step of grinding the thermoelectric material comprises using ball milling. ナノ粒子を圧密化する工程が、プラズマ圧力圧縮法、単方向のホットプレス法およびアイソスタチックホットプレス法の少なくとも1種を使用する工程を含む、請求項1の方法。   The method of claim 1, wherein the step of consolidating the nanoparticles comprises using at least one of a plasma pressure compression method, a unidirectional hot pressing method and an isostatic hot pressing method. 圧力を約10MPa〜約900MPaの範囲内にあるように選択する工程:
を更に含んでなる、請求項1の方法。
Selecting the pressure to be in the range of about 10 MPa to about 900 MPa:
The method of claim 1 further comprising:
圧力を約40MPa〜約300MPaの範囲内にあるように選択する工程:
を更に含んでなる、請求項12の方法。
Selecting the pressure to be in the range of about 40 MPa to about 300 MPa:
The method of claim 12, further comprising:
圧力を約60MPa〜約200MPaの範囲内にあるように選択する工程:
を更に含んでなる、請求項13の方法。
Selecting the pressure to be in the range of about 60 MPa to about 200 MPa:
14. The method of claim 13, further comprising:
高められた温度を、約200℃から熱電出発材料のほぼ融点の範囲内にあるように選択する工程:
を更に含んでなる、請求項1の方法。
Selecting the elevated temperature to be in the range of about 200 ° C. to about the melting point of the thermoelectric starting material:
The method of claim 1 further comprising:
高められた温度を、約400℃〜約2000℃の範囲内にあるように選択する工程:
を更に含んでなる、請求項1の方法。
Selecting the elevated temperature to be in the range of about 400 ° C to about 2000 ° C:
The method of claim 1 further comprising:
複数のナノ粒子を生成する工程が、あらゆるp−ドープおよびn−ドープ材料を含んでなる熱電出発材料を使用する工程を含む、請求項1の方法。   The method of claim 1, wherein generating the plurality of nanoparticles comprises using a thermoelectric starting material comprising any p-doped and n-doped material. 熱電出発材料が約1ミクロンより大きい平均結晶粒度をもつ多結晶性構造を示す、請求項1の方法。   The method of claim 1, wherein the thermoelectric starting material exhibits a polycrystalline structure having an average grain size greater than about 1 micron. 熱電出発材料を、ビスマス−基材料、鉛−基材料およびケイ素−基材料のいずれかを含むように選択する工程
を更に含んでなる、請求項1の方法。
The method of claim 1, further comprising selecting the thermoelectric starting material to include any of a bismuth-based material, a lead-based material, and a silicon-based material.
熱電材料をビスマス−アンチモン−テルルの合金、ビスマス−セレン−テルルの合金、鉛−テルルの合金、鉛−セレンの合金およびケイ素−ゲルマニウムの合金の少なくとも1種を含んでなるように選択する工程
を更に含んでなる、請求項1の方法。
Selecting the thermoelectric material to comprise at least one of a bismuth-antimony-tellurium alloy, a bismuth-selenium-tellurium alloy, a lead-tellurium alloy, a lead-selenium alloy, and a silicon-germanium alloy; The method of claim 1 further comprising:
熱電材料をBiTe3−xSeの合金[ここでxは約0〜約0.8の範囲内にある]であるように選択する工程
を更に含んでなる、請求項1の方法。
The method of claim 1, further comprising selecting the thermoelectric material to be an alloy of Bi 2 Te 3-x Se x , where x is in the range of about 0 to about 0.8.
熱電材料をBiSb2−xTeの合金[ここでxは約0〜約0.8の範囲内にある]であるように選択する工程
を更に含んでなる、請求項1の方法。
The thermoelectric material [where x is in the range of about 0 to about 0.8] Bi x Sb 2-x Te 3 alloy which further comprises the step of selecting as a method of claim 1.
複数のナノ粒子を生成する工程が約500nm未満の平均粒子サイズをもつナノ粒子を生成する工程を含む、請求項1の方法。   The method of claim 1, wherein generating a plurality of nanoparticles comprises generating nanoparticles having an average particle size of less than about 500 nm. 平均粒子サイズが約1nm〜約200nmの範囲内にある、請求項23の方法。   24. The method of claim 23, wherein the average particle size is in the range of about 1 nm to about 200 nm. 約1秒〜約10時間の期間、前記の高められた温度でナノ粒子を維持する工程を更に含んでなる、請求項1の方法。   The method of claim 1, further comprising maintaining the nanoparticles at the elevated temperature for a period of about 1 second to about 10 hours. 約1nm〜約1000nmの範囲内の平均粒度をもつ複数の粗粒を含んでなる材料の構造物を含んでなり、
前記の構造物が約2000℃未満の温度で約1.0を超えるZT値を特徴として示す、熱電材料。
Comprising a structure of material comprising a plurality of coarse grains having an average grain size in the range of about 1 nm to about 1000 nm;
A thermoelectric material wherein the structure is characterized by a ZT value greater than about 1.0 at a temperature below about 2000 ° C.
材料が約1000℃未満の温度で前記のZT値を示す、請求項26の熱電材料。   27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the material exhibits the ZT value at a temperature less than about 1000 <0> C. 材料が約600℃未満の温度で前記のZT値を示す、請求項26の熱電材料。   27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the material exhibits the ZT value at a temperature less than about 600 degrees Celsius. 材料が約200℃未満の温度で前記のZT値を示す、請求項26の熱電材料。   27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the material exhibits said ZT value at a temperature less than about 200 <0> C. 材料が約20℃未満の温度で前記のZT値を示す、請求項26の熱電材料。   27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the material exhibits the ZT value at a temperature less than about 20 degrees Celsius. 複数の粗粒の平均粒度が約1nm〜約500nmの範囲内にある、請求項26の熱電材料。   27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the average grain size of the plurality of coarse grains is in the range of about 1 nm to about 500 nm. 複数の粗粒の少なくとも1個がその中の少なくとも1個の沈殿物領域を含む、請求項26の熱電材料。   27. The thermoelectric material of claim 26, wherein at least one of the plurality of coarse grains includes at least one precipitate region therein. 少なくとも1個の沈殿物領域が約1nm〜約20nmの範囲内のサイズを有する、請求項32の熱電材料。   33. The thermoelectric material of claim 32, wherein the at least one precipitate region has a size in the range of about 1 nm to about 20 nm. 構造物が約1000nmを超える粗粒を実質的に含まない、請求項26の熱電材料。   27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the structure is substantially free of coarse grains greater than about 1000 nm. 構造物が約10%未満の空隙率を有する、請求項26の熱電材料。   27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the structure has a porosity of less than about 10%. 空隙率が約1%未満である、請求項35の熱電材料。   36. The thermoelectric material of claim 35, wherein the porosity is less than about 1%. 構造物のZT値が約1.2より大きい、請求項26の熱電材料。   27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the structure has a ZT value greater than about 1.2. 構造物のZT値が約1.5より大きい、請求項37の熱電材料。   38. The thermoelectric material of claim 37, wherein the structure has a ZT value greater than about 1.5. 構造物のZT値が約2より大きい、請求項38の熱電材料。   40. The thermoelectric material of claim 38, wherein the structure has a ZT value greater than about 2. 材料が約2000℃未満の温度で前記のZT値を示す、請求項37の熱電材料。   38. The thermoelectric material of claim 37, wherein the material exhibits the ZT value at a temperature less than about 2000 degrees Celsius. 材料が約1000℃未満の温度で前記のZT値を示す、請求項40の熱電材料。   41. The thermoelectric material of claim 40, wherein the material exhibits the ZT value at a temperature less than about 1000 <0> C. 材料が約600℃未満の温度で前記のZT値を示す、請求項41の熱電材料。   42. The thermoelectric material of claim 41, wherein the material exhibits the ZT value at a temperature less than about 600 <0> C. 材料が約200℃未満の温度で前記のZT値を示す、請求項42の熱電材料。   43. The thermoelectric material of claim 42, wherein the material exhibits said ZT value at a temperature less than about 200 <0> C. 材料が約20℃未満の温度で前記のZT値を示す、請求項43の熱電材料。   44. The thermoelectric material of claim 43, wherein the material exhibits said ZT value at a temperature less than about 20 <0> C. 材料がそれぞれの理論密度の約90%〜約100%の範囲内の密度を示す、請求項26の熱電材料。   27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the material exhibits a density in the range of about 90% to about 100% of the respective theoretical density. 複数の粗粒がn−ドープ材料およびp−ドープ材料の少なくとも一方を含んでなる、請求項26の熱電材料。   27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the plurality of coarse grains comprise at least one of an n-doped material and a p-doped material. 複数の粗粒がビスマス−基材料、鉛−基材料およびケイ素−基材料の少なくとも1種を含んでなる、請求項26の熱電材料。   27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the plurality of coarse grains comprise at least one of a bismuth-based material, a lead-based material, and a silicon-based material. 複数の粗粒がビスマス−アンチモン−テルルの合金、ビスマス−セレン−テルルの合金、鉛−テルルの合金、鉛−セレンの合金およびケイ素−ゲルマニウムの合金の少なくとも1種を含んでなる、請求項47の熱電材料。   48. The plurality of coarse grains comprise at least one of a bismuth-antimony-tellurium alloy, a bismuth-selenium-tellurium alloy, a lead-tellurium alloy, a lead-selenium alloy, and a silicon-germanium alloy. Thermoelectric material. 複数の粗粒がビスマス−アンチモン−テルルの合金を含んでなる、請求項48の熱電材料。   49. The thermoelectric material of claim 48, wherein the plurality of coarse grains comprise a bismuth-antimony-tellurium alloy. 複数の粗粒が、BiTe3−xSe[そのxが約0〜約0.8の範囲内にある]の合金を含んでなる、請求項26の熱電材料。 A plurality of coarse particles, Bi 2 Te 3-x Se x [ the x is in the range of about 0 to about 0.8] comprising the alloy of the thermoelectric material of claim 26. 熱電材料が、BiSb2−xTe[そのxが約0〜約0.8の範囲内にある]の合金である、請求項26の熱電材料。 Thermoelectric material is an alloy of Bi x Sb 2-x Te 3 [ that x is in the range of about 0 to about 0.8, the thermoelectric material of claim 26. 複数の粗粒が異なる元素の組成をもつ、少なくとも2個の粒子を含んでなる、請求項26の熱電材料。   27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the plurality of coarse particles comprise at least two particles having different elemental compositions. 封入物の平均サイズが約1nm〜約500nmの範囲内にある、相互に対してランダムに配置された、複数の圧縮された結晶性封入物を含んでなり、
前記圧縮された封入物が約1を超えるZTを示す熱電材料を提供する、
熱電材料。
Comprising a plurality of compressed crystalline inclusions randomly arranged relative to each other, wherein the inclusions have an average size in the range of about 1 nm to about 500 nm;
Providing a thermoelectric material wherein the compressed enclosure exhibits a ZT of greater than about 1;
Thermoelectric material.
封入物が粗粒を含んでなる、請求項53の熱電材料。   54. The thermoelectric material of claim 53, wherein the encapsulant comprises coarse particles. 封入物の平均サイズが約1nm〜約100nmの範囲内にある、請求項53の熱電材料。   54. The thermoelectric material of claim 53, wherein the average size of the enclosure is in the range of about 1 nm to about 100 nm. 封入物の平均サイズが約1nm〜約50nmの範囲内にある、請求項53の熱電材料。   54. The thermoelectric material of claim 53, wherein the average size of the enclosure is in the range of about 1 nm to about 50 nm. 材料が約500nmを超える封入物を実質的に含まない、請求項53の熱電材料。   54. The thermoelectric material of claim 53, wherein the material is substantially free of inclusions greater than about 500 nm. 材料が多結晶性構造を示す、請求項53の熱電材料。   54. The thermoelectric material of claim 53, wherein the material exhibits a polycrystalline structure. 材料が約1.2を超えるZTを示す、請求項53の熱電材料。   54. The thermoelectric material of claim 53, wherein the material exhibits a ZT greater than about 1.2. 材料が約1.5を超えるZTを示す、請求項59の熱電材料。   60. The thermoelectric material of claim 59, wherein the material exhibits a ZT greater than about 1.5. 材料が約2を超えるZTを示す、請求項60の熱電材料。   61. The thermoelectric material of claim 60, wherein the material exhibits a ZT greater than about 2. 複数のナノ粒子を生成するように、少なくとも1種のバルクの元素材料を粉砕し、そして
約1を超えるZT値を示す熱電材料を生成するように、圧力下、そして高められた温度下で複数のナノ粒子を圧密化する工程、
を含んでなる、熱電材料を形成する方法。
Grinding at least one bulk elemental material to produce a plurality of nanoparticles and producing a thermoelectric material exhibiting a ZT value greater than about 1 under pressure and at an elevated temperature Consolidating the nanoparticles of
A method of forming a thermoelectric material comprising:
少なくとも1種のバルクの元素材料が少なくとも2種の異なるバルクの元素材料を含み、そして更に、粉砕の工程が少なくとも2種類のナノ粒子を生成する工程を含む、請求項62の方法。   64. The method of claim 62, wherein the at least one bulk elemental material comprises at least two different bulk elemental materials, and further, the step of grinding includes the step of producing at least two types of nanoparticles. 少なくとも2種の異なるバルクの元素材料がビスマスおよびテルルを含む、請求項63の方法。   64. The method of claim 63, wherein the at least two different bulk elemental materials comprise bismuth and tellurium. 少なくとも2種の異なるバルクの元素材料がビスマス、テルルおよびアンチモンを含む、請求項63の方法。   64. The method of claim 63, wherein the at least two different bulk elemental materials comprise bismuth, tellurium and antimony. 少なくとも2種の異なるバルクの元素材料がビスマス、テルルおよびセレンを含む、請求項63の方法。   64. The method of claim 63, wherein the at least two different bulk elemental materials comprise bismuth, tellurium and selenium. 複数のナノ粒子にドーパントを添加する工程:
を更に含んでなる、請求項62の方法。
Adding dopant to a plurality of nanoparticles:
64. The method of claim 62, further comprising:
合金および化合物の少なくとも一方である、約0.5を超えるZT値をもつ原料材料から粒子を提供する工程を更に含んでなり、
複数のナノ粒子を圧密化する工程が、原料材料からの粒子と一緒に、複数のナノ粒子を圧密化する工程を含んでなる、
請求項62の方法。
Providing particles from a raw material having a ZT value greater than about 0.5 that is at least one of an alloy and a compound;
The step of consolidating the plurality of nanoparticles comprises consolidating the plurality of nanoparticles together with particles from the source material;
64. The method of claim 62.
ミクロンサイズの粒子を提供する工程を更に含んでなり、
複数のナノ粒子を圧密化する工程がミクロンサイズの粒子と複数のナノ粒子を圧密化す
る工程を含んでなる、請求項62の方法。
Further comprising providing micron-sized particles,
64. The method of claim 62, wherein the step of consolidating the plurality of nanoparticles comprises consolidating the micron sized particles and the plurality of nanoparticles.
約1nm〜約10ミクロンの範囲内の平均サイズをもつ複数の粗粒を含んでなる材料の構造物を含んでなり、
前記粗粒の少なくとも幾つかが約1nm〜約100nmの範囲内の平均サイズをもつ1個または複数の沈殿物領域を含み、そして前記材料が約1を超えるZT値を示す、
熱電材料。
Comprising a structure of a material comprising a plurality of coarse grains having an average size in the range of about 1 nm to about 10 microns;
At least some of the coarse grains include one or more precipitate regions having an average size in the range of about 1 nm to about 100 nm, and the material exhibits a ZT value greater than about 1;
Thermoelectric material.
粗粒が約1nm〜約5ミクロンの範囲内の平均サイズをもつ、請求項70の熱電材料。   71. The thermoelectric material of claim 70, wherein the coarse grains have an average size in the range of about 1 nm to about 5 microns. 粗粒が約1nm〜約2ミクロンの範囲内の平均サイズをもつ、請求項71の熱電材料。   72. The thermoelectric material of claim 71, wherein the coarse grains have an average size in the range of about 1 nm to about 2 microns. 材料が約1〜約5の範囲内のZT値を示す、請求項70の熱電材料。   71. The thermoelectric material of claim 70, wherein the material exhibits a ZT value in the range of about 1 to about 5. 材料が約1.5を超えるZT値を示す、請求項70の熱電材料。   71. The thermoelectric material of claim 70, wherein the material exhibits a ZT value greater than about 1.5. 材料が約2を超えるZT値を示す、請求項70の熱電材料。   71. The thermoelectric material of claim 70, wherein the material exhibits a ZT value greater than about 2. 材料が約2000℃未満の作業温度で前記ZT値を示す、請求項70の熱電材料。   The thermoelectric material of claim 70, wherein the material exhibits the ZT value at an operating temperature of less than about 2000 ° C. 沈殿物領域が約1nm〜約50nmの範囲内の平均サイズを示す、請求項70の熱電材料。   71. The thermoelectric material of claim 70, wherein the precipitate region exhibits an average size in the range of about 1 nm to about 50 nm. 粗粒がビスマス−基合金、鉛−基合金およびケイ素−基合金の少なくとも1種から形式される、請求項70の熱電材料。   71. The thermoelectric material of claim 70, wherein the coarse grains are formed from at least one of a bismuth-based alloy, a lead-based alloy, and a silicon-based alloy. ホスト材料および
約20ミクロン未満のサイズをもつ、ホスト中に分散された複数の粒子を含んでなり、
ここで熱電材料が、前記粒子の不在下の前記ホスト材料中のそれぞれの担体濃度を超える担体濃度を示す、
熱電材料。
Comprising a host material and a plurality of particles dispersed in the host having a size of less than about 20 microns;
Wherein the thermoelectric material exhibits a carrier concentration that exceeds the respective carrier concentration in the host material in the absence of the particles,
Thermoelectric material.
熱電材料の電荷担体の移動性が、前記粒子の不在下の、ホスト材料中のそれぞれの電荷担体の移動性より大きい、請求項79の熱電材料。   80. The thermoelectric material of claim 79, wherein the mobility of charge carriers in the thermoelectric material is greater than the mobility of each charge carrier in the host material in the absence of the particles. 複数の粒子がホスト材料より高度にドープされている、請求項79の熱電材料。   80. The thermoelectric material of claim 79, wherein the plurality of particles are more highly doped than the host material. 熱電材料のZT値が約0.8より大きい、請求項79の熱電材料。   80. The thermoelectric material of claim 79, wherein the ZT value of the thermoelectric material is greater than about 0.8. ホスト材料が複数の粗粒を含んでなり、該粗粒の少なくとも幾つかは約1ミクロン未満のサイズを特徴として示す、請求項79の熱電材料。   80. The thermoelectric material of claim 79, wherein the host material comprises a plurality of coarse grains, wherein at least some of the coarse grains are characterized by a size of less than about 1 micron. ホスト材料が複数の粗粒を含んでなり、該粗粒の少なくとも幾つかは約1ミクロンより大きいサイズを特徴として示す、請求項79の熱電材料。   80. The thermoelectric material of claim 79, wherein the host material comprises a plurality of coarse grains, wherein at least some of the coarse grains are characterized by a size greater than about 1 micron. 第1のエネルギー帯を特徴として示すホスト材料および
前記ホスト材料中に分散された、約20ミクロン未満のサイズをもち、第2のエネルギー帯を特徴として示す、複数の封入物、
を含んでなり、
ここで第2のエネルギー帯が第1のエネルギー帯に対して、より高いエネルギーをもつ
、熱電材料。
A host material characterized by a first energy band and a plurality of inclusions having a size less than about 20 microns and characterized by a second energy band dispersed in the host material;
Comprising
Here, the thermoelectric material in which the second energy band has higher energy than the first energy band.
エネルギー帯が伝導帯および価電子帯の少なくとも一方である、請求項85の熱電材料。   The thermoelectric material of claim 85, wherein the energy band is at least one of a conduction band and a valence band. 熱電材料のZT値が約0.8より大きい、請求項85の熱電材料。   86. The thermoelectric material of claim 85, wherein the ZT value of the thermoelectric material is greater than about 0.8. ホスト材料が複数の粗粒を含んでなり、該粗粒の少なくとも幾つかは約1ミクロン未満のサイズを特徴として示す、請求項85の熱電材料。   86. The thermoelectric material of claim 85, wherein the host material comprises a plurality of coarse grains, at least some of the coarse grains characterized by a size of less than about 1 micron. ホスト材料が複数の粗粒を含んでなり、該粗粒の少なくとも幾つかは約1ミクロンより大きいサイズを特徴として示す、請求項85の熱電材料。   86. The thermoelectric material of claim 85, wherein the host material comprises a plurality of coarse grains, wherein at least some of the coarse grains are characterized by a size greater than about 1 micron. 複数の封入物がドープされた材料を含んでなる、請求項85の熱電材料。   86. The thermoelectric material of claim 85, wherein the plurality of inclusions comprises a doped material. 気相の凝縮、レーザーアブレーション、化学的合成およびスプレイの急速冷却、の少なくとも1つを使用して複数のナノ粒子を生成する工程、および
前記ナノ粒子を、圧力下、高められた温度下で圧密化させて、約0.8より高いZT値をもつ、圧密化された熱電材料を形成する工程、
を含んでなる、熱電材料を加工する方法。
Producing a plurality of nanoparticles using at least one of gas phase condensation, laser ablation, chemical synthesis and rapid spray cooling; and consolidating the nanoparticles under pressure at an elevated temperature Forming a consolidated thermoelectric material having a ZT value greater than about 0.8,
A method of processing a thermoelectric material, comprising:
少なくとも1種の出発材料をボールミル粉砕することにより、複数のホスト粒子を生成する工程を更に含んでなり、
ここで前記ナノ粒子を圧密化する工程が、前記ナノ粒子を前記複数のホスト粒子とともに圧密化する工程を含んでなる、
請求項91の方法。
Further comprising the step of ball milling at least one starting material to produce a plurality of host particles;
Wherein the step of consolidating the nanoparticles comprises the step of consolidating the nanoparticles with the plurality of host particles;
92. The method of claim 91.
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