KR101452795B1 - Methods for high figure-of-merit in nanostructured thermoelectric materials - Google Patents

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Abstract

높은 성능 지수 ZT를 갖는 열전 재료가 기술되어 있다. 다수의 경우에, 이러한 열전 재료는 열전 재료의 ZT 값을 증가시키는 것을 돕는 것으로 추정되는(예를 들면, 그레인 경계들에서의 계면 또는 그레인/내포물 경계들에서의 계면에 기인하여 포논 산란을 증가시킴으로써) 나노 크기의 도메인(예를 들면, 나노 결정)을 포함한다. 이러한 열전 재료의 ZT 값은 약 1 이상, 약 1.2 이상, 약 1.4 이상, 약 1.5 이상, 약 1.8 이상, 약 2 이상 및 심지어 이보다 더 높을 수 있다. 이러한 열전 재료는, 열전 출발 물질로부터 나노입자를 생성시킴으로써 열전 출발 물질로부터 제조될 수 있거나, 원소들로부터의 기계적으로 합금화된 나노입자들로부터 제조될 수 있으며, 상기 나노입자들은 후속적으로 새로운 벌크 물질로 압밀될 수 있다(예를 들면, 직류 유도되는 고온 프레스를 통해). 출발 물질의 비제한적인 예로는 비스무트, 납 및/또는 규소계 물질이 포함되며, 이들은 합금화되거나, 원소 상태이고/이거나, 도핑될 수 있다. 나노 구조의 열전 재료 측면에 관한 다양한 조성물 및 방법(예를 들면, 모듈레이션 도핑)이 또한 개시되어 있다.A thermoelectric material having a high performance index ZT is described. In many cases, this thermoelectric material is believed to help increase the ZT value of the thermoelectric material (e.g., by increasing phonon scattering due to interface at grain boundaries or at grain / inclusions boundaries) ) Nano-sized domains (e. G., Nanocrystals). The ZT value of such a thermoelectric material may be greater than about 1, greater than about 1.2, greater than about 1.4, greater than about 1.5, greater than about 1.8, greater than about 2, and even greater. Such a thermoelectric material can be prepared from a thermoelectric starting material by producing nanoparticles from a thermoelectric starting material, or can be prepared from mechanically alloyed nanoparticles from elements, which nanoparticles are subsequently added to a new bulk material (E. G., Through a direct current hot press). Non-limiting examples of starting materials include bismuth, lead and / or silicon-based materials, which may be alloyed, elemental and / or doped. Various compositions and methods relating to thermoelectric aspects of nanostructures (e. G., Modulation doping) are also disclosed.

열전 재료, 성능 지수, 나노 구조, ZT 값,  Thermoelectric material, performance index, nanostructure, ZT value,

Description

나노 구조의 열전 재료에서의 높은 성능 지수를 위한 방법 {Methods for high figure-of-merit in nanostructured thermoelectric materials}[0001] The present invention relates to nanostructured thermoelectric materials,

관련 출원에 대한 상호 참조Cross-reference to related application

본 출원은 "높은 열전 성능 지수를 갖는 나노복합체(Nanocomposites with High Thermoelectric Figures of Merit)"란 발명의 명칭으로, 2004년 10월 29일자로 출원된 미국 특허출원 제10/977,363호의 일부계속 출원이며, "나노 구조의 열전 재료에서의 높은 성능 지수를 위한 방법(Methods for High Figure-of-Merit in Nanostructured Thermoelectric Materials)"이란 발명의 명칭으로, 2006년 12월 1일자로 출원된 미국 가출원 제60/872,242호에 대한 이익을 주장한다. 이들 출원 모두의 내용은 본원 명세서에 참조로 인용된다.This application is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 10 / 977,363, filed October 29, 2004, entitled " Nanocomposites with High Thermoelectric Figures of Merit & &Quot; Methods for High Performance Indices in Thermoelectric Materials of Nanostructures ", entitled " Methods for High-Performance-In-Merit in Nanostructured Thermoelectric Materials, " filed on December 1, 2006 and U.S. Provisional Application No. 60 / 872,242 Claim the benefit of the call. The contents of both of these applications are incorporated herein by reference.

본 출원은 일반적으로 열전 재료 및 이의 제조 방법, 보다 구체적으로는 개선된 열전 특성을 나타내는 열전 재료에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD This application relates generally to thermoelectric materials and methods for their manufacture, and more particularly to thermoelectric materials exhibiting improved thermoelectric properties.

물질의 열전 특성은 Z = S2σ/k(여기서, S는 제벡 계수(Seebeck coefficient)이고, σ는 전기 전도도이며, k는 총 열 전도도이다)로서 정의되는, 성능 지수 Z(또는 무차원 성능 지수 ZT)라 불리우는 양으로 특징지워질 수 있다. 높은 ZT 값을 갖는(낮은 열 전도도 k 및/또는 높은 역률(power factor) S2σ를 갖는) 물질을 제조하는 것이 바람직하다. 예로서, 이러한 물질은 잠재적으로 고품질의 발전 장치 및 냉각 장치를 제조하는데 사용될 수 있다.The thermoelectric properties of a material are given by the following formula: Z = S 2 σ / k, where S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity and k is the total thermal conductivity Quot; index ZT "). It is desirable to produce materials with high ZT values (with low thermal conductivity k and / or high power factor S 2 sigma). By way of example, such materials may be used to fabricate potentially high quality power generation and cooling systems.

발명의 요지Gist of invention

한 측면으로, 본 발명은 열전 벌크 물질과 같은 출발 물질로부터 복수의 나노입자를 생성하고, 감압하에 승온에서 이들 나노입자를 압밀(consolidation)시켜, 예를 들면, 약 2000 ℃ 미만, 약 1000 ℃ 미만, 약 600 ℃ 미만, 약 200 ℃ 미만 또는 약 20 ℃ 미만의 온도에서 열전 출발 물질보다 높은 ZT 값을 나타내는 열전 재료를 형성함에 의한, 열전 재료의 제조 방법에 관한 것이다. 일부 경우에, 형성된 물질의 피크 ZT 값은 출발 물질의 피크 ZT 값보다 약 25 내지 약 1000% 더 클 수 있다. 다른 경우에, 형성된 재료의 피크 ZT는 실질적으로 출발 물질의 피크 ZT의 1000%보다 더 클 수 있다.In one aspect, the present invention is directed to a method of forming nanoparticles from a starting material, such as a thermoelectric bulk material, and consolidating the nanoparticles at elevated temperature under reduced pressure, By forming a thermoelectric material exhibiting a ZT value higher than that of the thermoelectric starting material at a temperature of less than about 600 캜, less than about 200 캜, or less than about 20 캜. In some cases, the peak ZT value of the formed material may be about 25 to about 1000% greater than the peak ZT value of the starting material. In other cases, the peak ZT of the formed material may be substantially greater than 1000% of the peak ZT of the starting material.

용어 "나노입자"는 일반적으로 당해 분야에 공지되어 있으며, 이는 본원 명세서에서 약 1 마이크론 미만, 예를 들면, 약 1 내지 약 1000 ㎚의 범위의 크기(예를 들면, 평균 또는 최대 크기)를 갖는 물질 입자를 의미하는 것으로 사용된다. 바람직하게는, 상기 크기는 약 500 ㎚ 미만, 바람직하게는 약 1 내지 약 200 ㎚의 범위, 보다 바람직하게는 약 1 내지 약 100 ㎚의 범위일 수 있다. 나노입자는, 예를 들면, 출발 물질을 나노 크기 조각으로 분쇄(예를 들면, 건식 밀링, 습식 밀링 또는 다른 적합한 기술을 사용하는 연삭)함에 의해 생성시킬 수 있다. 한 예로, 볼 밀링(ball milling)은 원하는 나노입자를 성취하기 위하여 사용될 수 있다. 임의로, 입자의 크기를 다시 감소시키기 위하여, 나노입자를 생성하면서, 냉각이 또한 사용(예를 들면, 이를 연삭하면서 출발 물질을 냉각시킴)될 수 있다. 나노입자를 생성시키는 다른 방법은 기체상으로부터의 응축, 습식 화학 방법 및 나노입자를 형성하는 다른 방법을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 상이한 원소 물질(예를 들면, 비스무트 또는 텔루륨)의 나노입자를 별도로 생성시킨 다음, 하기 다시 논의되는 바와 같이, 생성된 열전 재료로 압밀시킬 수 있다.The term "nanoparticle" is generally known in the art and is used herein to refer to a nanoparticle having a size (e. G., Average or maximum size) in the range of less than about 1 micron, such as from about 1 to about 1000 nm It is used to mean material particles. Preferably, the size may be in the range of less than about 500 nm, preferably in the range of about 1 to about 200 nm, more preferably in the range of about 1 to about 100 nm. Nanoparticles can be produced, for example, by grinding the starting material into nanoscale pieces (e.g., grinding using dry milling, wet milling or other suitable techniques). As an example, ball milling can be used to achieve the desired nanoparticles. Optionally, in order to reduce the particle size again, cooling may also be used (e.g., cooling the starting material while grinding it), while producing nanoparticles. Other methods of producing nanoparticles can include condensation from a gas phase, wet chemical methods, and other methods of forming nanoparticles. In some cases, nanoparticles of different elemental materials (e. G., Bismuth or tellurium) can be separately generated and then consolidated with the resulting thermoelectric material, as discussed below.

나노입자들은 생성된 열전 재료를 형성하기에 충분한 나노입자들 사이의 전기적 커플링을 유도하기 위하여 소정의 온도 및 소정의 압력하에 압밀시킬 수 있다. 예로서, 전류 유도된 고온 프레스를 포함하는 고온 압축(또한, 플라즈마 압력 압축, "P2C(plasma pressure compaction)", 또는 스파크 플라즈마 소결, SPS(spark plasma sintering)로서 공지됨), 단일방향 고온 프레스 및 등압 고온 프레스 공정이 나노입자의 압밀을 성취하기 위하여 사용될 수 있다. 선택되는 압력은, 예를 들면, 약 10 내지 약 900 ㎫의 범위 또는 약 40 내지 약 300 ㎫의 범위, 바람직하게는 약 60 내지 약 200 ㎫의 범위일 수 있다. 선택되는 온도는 Bi2Te3계 재료의 경우에, 예를 들면, 약 200 내지 대략 열전 재료의 융점(예를 들면, 200 내지 약 2000 ℃) 범위 또는 약 400 내지 약 1200 ℃의 범위 또는 약 400 내지 약 600 ℃의 범위 또는 약 400 내지 약 550 ℃의 범위일 수 있다.The nanoparticles may be consolidated at a predetermined temperature and pressure to induce electrical coupling between the nanoparticles sufficient to form the resulting thermoelectric material. (Also known as plasma pressure compression, "plasma pressure compaction" (P 2 C), or spark plasma sintering, spark plasma sintering (SPS)), including current induced hot presses, Press and isobaric hot press processes can be used to achieve consolidation of the nanoparticles. The pressure selected may be in the range of, for example, from about 10 to about 900 MPa, or in the range of from about 40 to about 300 MPa, preferably from about 60 to about 200 MPa. The selected temperature can range, for example, from about 200 to about the melting point of a thermoelectric material (e.g., from 200 to about 2000 degrees Celsius) or from about 400 to about 1200 degrees Celsius for a Bi 2 Te 3 based material, To about 600 < 0 > C, or from about 400 to about 550 < 0 > C.

관련된 측면에 있어서, 상기 방법에서, 나노입자의 압밀은 각각의 이론 밀도의 약 90 내지 약 100%의 범위의 밀도를 나타내는 재료를 제공하기 위하여 나노입자를 압축시킴(예를 들면, 다공도가 약 10% 미만 또는 약 1% 미만)을 의미한다.In a related aspect, in the method, the consolidation of the nanoparticles compresses the nanoparticles to provide a material exhibiting a density in the range of about 90 to about 100% of the theoretical density (e.g., a porosity of about 10 % Or less than about 1%).

관련된 측면에 있어서, 상기 논의된 바와 같은, 본 발명의 방법에 의해 생성되는 열전 재료는 ZT 값(예를 들면, 피크 ZT 값)이 약 1 이상, 약 1.2 이상, 약 1.4 이상이고, 바람직하게는 약 1.5 이상, 가장 바람직하게는 약 2 이상이다. 또한, 다수의 양태에 있어서, 열전 재료는, 예를 들면, 물질의 융점에 따라 좌우될 수 있는 특정 작동 온도에서, 예를 들면, Bi2Te3계 재료의 경우에 약 300 ℃ 미만인 온도에서 높은 ZT 값을 나타낸다. 증가되는 ZT 값은 또한 도핑 수준 및/또는 물질의 마이크로 구조에 따라 좌우될 수 있다.In a related aspect, the thermoelectric material produced by the method of the present invention, as discussed above, has a ZT value (e.g., a peak ZT value) of at least about 1, at least about 1.2, at least about 1.4, About 1.5 or more, and most preferably about 2 or more. Furthermore, in many embodiments, the thermoelectric material is, for example, in certain operating temperature, which may be dependent on the melting point of the material, for example, Bi 2 Te 3 system at about 300 ℃ less than the temperature high in the case of a material ZT value. The increased ZT value may also depend on the doping level and / or the microstructure of the material.

다수의 경우에, 열전 재료의 출발 물질(예를 들면, 입자 합성을 위한 출발 벌크 물질 또는 유체상 물질)은 약 1 미만 및 임의로 약 0.1 이상의 ZT 값을 나타내며, 출발 물질로부터 나노입자를 생성하고, 이들 나노입자를 압밀시킴으로써 수득한(예를 들면, 연삭 또는 다른 적절한 기술에 의해 출발 물질을 분쇄함) 최종 열전 재료는 약 1 이상, 약 1.1 이상, 약 1.2 이상, 약 1.3 이상, 약 1.4 이상, 약 1.5 이상 또는 약 2 이상의 ZT 값을 나타낸다.In many cases, the starting material of the thermoelectric material (e.g., the starting bulk material or the fluid phase material for particle synthesis) exhibits a ZT value of less than about 1 and optionally greater than or equal to about 0.1 and produces nanoparticles from the starting material, The final thermoelectric material obtained by consolidating these nanoparticles (e.g., grinding the starting material by grinding or other suitable technique) has a thermal conductivity of at least about 1, at least about 1.1, at least about 1.2, at least about 1.3, at least about 1.4, A ZT value of about 1.5 or more, or about 2 or more.

다양한 열전 물질이 본 발명의 실행시 출발 물질로서 사용될 수 있다. 열전 재료의 출발 물질은 p-도핑되거나, n-도핑될 수 있다. 열전 재료의 출발 물질의 예는, 비제한적으로, 비스무트계, 납계 또는 규소계 물질을 포함한다. 예를 들면, 열전 재료의 출발 물질은 비스무트-안티몬-텔루륨 합금, 비스무트-셀레늄-텔루륨 합금, 납-텔루륨 합금, 납-셀레늄 합금 또는 규소-게르마늄(예를 들면, SiGe) 합금을 포함할 수 있다. 예로서, 일부 양태에 있어서, 열전 재료의 출발 물질은 Bi2Te3-xSex 합금일 수 있으며, 이때 x는 약 0 내지 약 0.8의 범위이다. 또는, 일부 다른 양태에 있어서, 열전 재료의 출발 물질은 BixSb2-xTe3 합금일 수 있고, 이때 x는 약 0 내지 약 0.8의 범위이다. 일부 양태에 있어서, 다결정성 구조를 갖는 열전 재료의 출발 물질이 사용될 수 있으며, 이는 임의로 평균 그레인(grain) 크기(예를 들면, 약 1 마이크론 이상)를 포함할 수 있다.A variety of thermoelectric materials can be used as starting materials in the practice of the present invention. The starting material of the thermoelectric material can be p-doped or n-doped. Examples of starting materials for thermoelectric materials include, but are not limited to, bismuth, lead or silicon based materials. For example, the starting materials for thermoelectric materials include bismuth-antimony-tellurium alloys, bismuth-selenium-tellurium alloys, lead-tellurium alloys, lead-selenium alloys or silicon-germanium (e.g. SiGe) can do. For example, in some embodiments, the starting material of the thermoelectric material can be a Bi 2 Te 3-x Se x alloy, where x ranges from about 0 to about 0.8. Alternatively, in some other embodiments, the starting material of the thermoelectric material can be a Bi x Sb 2-x Te 3 alloy, wherein x ranges from about 0 to about 0.8. In some embodiments, a starting material of a thermoelectric material having a polycrystalline structure may be used, which may optionally include an average grain size (e.g., greater than about 1 micron).

다른 측면에 있어서, 나노입자는, 생성된 나노입자가 크기(예를 들면, 평균 또는 최대 크기)가 약 1000 ㎚ 미만 또는 약 500 ㎚ 미만이거나, 약 200 ㎚ 미만, 바람직하게는 약 100 ㎚ 미만, 예를 들면, 약 1 내지 약 200 ㎚의 범위 또는 약 1 내지 약 100 ㎚의 범위, 바람직하게는 약 1 내지 약 50 ㎚의 범위가 되도록, 열전 재료의 출발 물질로부터 생성될 수 있다. 이러한 입자 크기는 볼 밀링 또는 다른 적절한 기술에 의해 출발 물질을 연삭함과 같은, 본원 명세서에서 논의된 기술들중 어느 하나에 의해 생성될 수 있다.In another aspect, the nanoparticles have a size (e.g., average or maximum size) of less than about 1000 nm, or less than about 500 nm, or less than about 200 nm, preferably less than about 100 nm, For example from about 1 to about 200 nm, or from about 1 to about 100 nm, preferably from about 1 to about 50 nm. This particle size can be generated by any of the techniques discussed herein, such as grinding the starting material by ball milling or other suitable techniques.

관련된 측면에 있어서, 상기 방법에서, 상기 나노입자들을, 개선된 열전 특성을 갖는 결과물인 열전 재료를 생성하기 위하여, 예를 들면, 약 1초 내지 약 10시간의 범위의 시간 동안 압력하에 승온에서 유지시킨다. 다른 측면에 있어서, 상기 나노입자들을, 결과물인 열전 재료가 생성될 수 있도록 하기에 충분한 시간 동안 저압 또는 주위 압력에서 유지시키면서, 소정의 온도를 적용시킨다. 다른 측면에 있어서, 상기 나노입자들을 실온에서 고압하에 압밀시켜 높은 이론 밀도(예를 들면, 약 100%)를 갖는 샘플을 형성시킨 다음, 고온에서 어닐링시켜 최종 열전 재료를 형성시킬 수 있다.In a related aspect, in the method, the nanoparticles are maintained at elevated temperature under pressure for a time in the range of, for example, from about 1 second to about 10 hours, to produce thermoelectric materials that are the result of the improved thermoelectric properties. . In another aspect, the nanoparticles are applied at a predetermined temperature while maintaining them at low or ambient pressure for a time sufficient to allow the resulting thermoelectric material to be produced. In another aspect, the nanoparticles can be consolidated at room temperature under high pressure to form a sample having a high theoretical density (e.g., about 100%), and then annealed at a high temperature to form a final thermoelectric material.

다른 측면은 복수의 나노입자를 생성함을 포함하는 열전 재료의 형성방법에 관한 것이다. 예로서, 나도 입자들은 하나 이상의 벌크 원소 물질을 연삭함으로써 생성시킬 수 있다. 예를 들면, 나노입자들은, 두 개 이상의 상이한 벌크 원소 물질, 예를 들면, 비스무트와 텔루륨, 비스무트와 셀레늄, 안티몬과 텔루륨, 안티몬과 셀레늄, 및 규소와 게르마늄을 가공 가능한 비율로 연삭하여 생성시킬 수 있다. 이러한 경우에, 두 개 이상의 유형의 나노입자가 형성될 수 있다. 상이한 유형의 입자들이 별도로 생성된다면, 이 입자들을 혼합하고 다시 연삭하여(예를 들면, 볼 밀에 의해) 기계적으로 합금된 입자들을 형성시킬 수 있다. 또는, 다양한 벌크 물질들을 모두 동시에 연삭하여 기계적으로 합금된 입자를 형성시킬 수 있다. 원소, 화합물 또는 합금으로부터의 기계적 합금된 나노입자 또는 별도로 생성된 나노입자를 사용하여 형성된 나노입자의 혼합물을, ZT 값이 약 1 이상인 결과물인 열전 재료를 생성하기 위하여, 압력하에 승온에서 압축할 수 있다. 도펀트를 임의로 나노입자의 혼합물에 가할 수 있다. 다른 양태에 있어서, 나노입자들을, 양호한 ZT 값(예를 들면, 약 0.5 이상)을 갖는 원료 물질로부터의 입자 및/또는 마이크론 크기의 입자(예를 들면, 평균 크기가 약 1 내지 약 10, 50, 100 또는 500 마이크론인 입자)와 같은 다른 유형의 입자들과 함께 압축할 수 있다.Another aspect relates to a method of forming a thermoelectric material comprising generating a plurality of nanoparticles. As an example, I can also generate particles by grinding one or more bulk element materials. For example, nanoparticles can be produced by grinding at least two different bulk element materials, such as bismuth and tellurium, bismuth and selenium, antimony and tellurium, antimony and selenium, and silicon and germanium at a processable rate . In this case, more than two types of nanoparticles can be formed. If different types of particles are generated separately, these particles may be mixed and re-ground (e.g., by a ball mill) to form mechanically alloyed particles. Alternatively, all of the various bulk materials may be simultaneously grinded to form mechanically alloyed particles. A mixture of nanoparticles formed using mechanically alloyed nanoparticles or separately produced nanoparticles from an element, compound or alloy can be compressed at elevated temperature under pressure to produce a thermoelectric material that is the result of a ZT value of greater than or equal to about 1 have. The dopant may optionally be added to the mixture of nanoparticles. In other embodiments, the nanoparticles may be coated with particles from raw materials having good ZT values (e.g., greater than about 0.5) and / or micron sized particles (e.g., having an average size of from about 1 to about 10, 50 , 100 or 500 microns). ≪ / RTI >

다른 측면에 있어서, 평균 크기가 약 1 내지 약 500 ㎚의 범위의 복수의 내포물(inclusion)을 포함하는 물질 구조를 포함하는 열전 재료가 제공되며, 이때 상기 구조는 약 1 이상의 ZT 값(예를 들면, 피크 ZT 값), 바람직하게는 약 1.2 이상 또는 약 1.5 이상, 심지어는 약 2 이상의 ZT 값을 나타낸다.In another aspect, there is provided a thermoelectric material comprising a material structure comprising a plurality of inclusions having an average size ranging from about 1 to about 500 nm, wherein the structure has a ZT value of at least about 1 , Peak ZT value), preferably about 1.2 or more, or about 1.5 or more, and even about 2 or more.

관련된 측면에 있어서, 열전 재료는 약 2000 ℃ 미만, 또는 약 1000 ℃ 미만, 또는 약 600 ℃ 미만, 또는 약 200 ℃ 미만, 또는 약 20 ℃ 미만인 온도에서 상기 ZT 값을 나타낼 수 있다. 또한, 평균 그레인 크기는 약 1 내지 약 500 ㎚의 범위일 수 있다. 상기 구조는 약 500 ㎚보다 큰 그레인이 실질적으로 없거나(예를 들면, 평균 및/또는 최대 치수가 약 500 ㎚보다 큰 그레인이 실질적으로 존재하지 않는다), 더 큰 크기의 그레인(예를 들면, 약 1 ㎛ 이상)을 다소 포함할 수 있다.In a related aspect, the thermoelectric material may exhibit the ZT value at a temperature less than about 2000 占 폚, or less than about 1000 占 폚, or less than about 600 占 폚, or less than about 200 占 폚, or less than about 20 占 폚. In addition, the average grain size may range from about 1 to about 500 nm. The structure may be substantially free of grains of greater than about 500 nm (e.g., substantially no grains having an average and / or maximum dimension greater than about 500 nm), larger grain sizes (e.g., about 1 mu m or more).

다른 측면에 있어서, 상기 그레인들 중의 하나 이상은 입자 내에 하나 이상의 침전 영역 또는 다른 내포물을 포함하며, 이때 침전 영역 또는 다른 내포물은, 예를 들면, 약 1 내지 약 50 ㎚의 범위 또는 약 1 내지 약 20 ㎚의 범위의 크기를 가질 수 있다. 침전 영역은 상이한 조성 및/또는 결정 방향이 상이한 동일한 조성, 및/또는 그레인의 나머지에 대해 상이한 상(phase)을 특징으로 할 수 있다.In another aspect, at least one of the grains comprises at least one precipitation zone or other inclusions in the grains, wherein the precipitation zone or other inclusions are in the range of, for example, from about 1 to about 50 nm, 20 nm. ≪ / RTI > The precipitation zone may feature different phases for the same composition with different composition and / or crystal orientation, and / or for the remainder of the grain.

다른 측면에 있어서, 열전 재료는 각각의 밀도 이론치의 약 90 내지 약 100%의 범위의 밀도를 가질 수 있다. 예로서, 열전 재료는 약 10% 미만, 바람직하게는 약 1% 미만의 다공도를 나타낼 수 있다.In another aspect, the thermoelectric material may have a density ranging from about 90% to about 100% of the respective density theoretical value. By way of example, thermoelectric materials can exhibit a porosity of less than about 10%, preferably less than about 1%.

관련된 측면에 있어서, 열전 재료는 서로에 대해 랜덤하게 배향된 작은 결정 그레인들(예를 들면, 평균 크기가 약 500 ㎚ 미만, 또는 약 200 ㎚ 미만, 바람직하 게는 약 1 내지 약 100 ㎚의 범위임)로부터 형성된 다결정 구조를 나타낸다.In a related aspect, the thermoelectric materials are selected from small crystalline grains oriented randomly with respect to each other (e.g., having an average size in the range of less than about 500 nm, or less than about 200 nm, preferably in the range of about 1 to about 100 nm ). ≪ / RTI >

본 발명의 한 측면은 복수의 그레인을 갖는 물질 구조를 포함할 수 있는 열전 재료에 관한 것이다. 상기 그레인들은 약 1 내지 약 10 마이크론의 범위, 또는 약 1 내지 약 5 마이크론의 범위, 또는 약 1 내지 약 2 마이크론의 범위의 평균 크기를 가질 수 있다. 상기 그레인들 중의 적어도 일부는 하나 이상의 침전 영역 또는 다른 형태의 내포물을 포함할 수 있다. 이러한 영역은 약 1 내지 약 100 ㎚, 또는 약 1 내지 약 50 ㎚의 평균 크기를 가질 수 있다. 열전 재료는 약 1 이상, 약 1.2 이상, 약 1.5 이상 또는 약 2 이상의 ZT 값을 가질 수 있다. 예를 들면, ZT 값은 또한 약 1 내지 약 5의 범위일 수 있다. 열전 재료는 약 2000 ℃ 미만, 또는 약 1000 ℃ 미만, 또는 약 600 ℃ 미만, 또는 약 200 ℃ 미만, 또는 약 20 ℃ 미만의 작동 온도에서 상기 ZT 값을 나타낼 수 있다. 상기 그레인들은 비스무트계 합금, 납계 합금 및 규소계 합금의 임의의 조합과 같은 다양한 물질로부터 형성될 수 있다.One aspect of the present invention relates to a thermoelectric material that may comprise a material structure having a plurality of grains. The grains may have an average size in the range of about 1 to about 10 microns, or in the range of about 1 to about 5 microns, or in the range of about 1 to about 2 microns. At least some of the grains may comprise one or more precipitation areas or other types of inclusions. Such regions may have an average size of from about 1 to about 100 nm, or from about 1 to about 50 nm. The thermoelectric material may have a ZT value of about 1 or more, about 1.2 or more, about 1.5 or more, or about 2 or more. For example, the ZT value may also range from about 1 to about 5. The thermoelectric material may exhibit the ZT value at an operating temperature of less than about 2000 占 폚, or less than about 1000 占 폚, or less than about 600 占 폚, or less than about 200 占 폚, or less than about 20 占 폚. The grains may be formed from a variety of materials, such as any combination of a bismuth-based alloy, a lead-based alloy, and a silicon-based alloy.

본 발명의 다른 측면은 호스트 전체에 분산된 복수의 내포물 또는 입자를 갖는 호스트 물질을 포함하는 열전 재료를 유도하는 것이다. 입자 또는 내포물은 임계값 미만, 예를 들면, 약 20 마이크론 미만인 크기를 가질 수 있다. 호스트 물질은 하나 이상의 그레인을 포함할 수 있으며, 이때 그레인의 적어도 일부는 약 1 마이크론 이상 또는 약 1 마이크론 미만인 크기(예를 들면, 특정 치수에서의 최대 크기 및/또는 평균 크기)를 갖는다. 일부 양태에 있어서, 호스트 물질은 통상의 열전 재료에서와 같이 과도하게 도핑되지 않으며, 이는 전하 캐리어의 많은 부분, 예를 들면, 호스트 물질 중 50% 이상, 80% 이상, 90% 이상, 바람직하게는 99% 이상이 이들 내포물의 존재에 기인하기 때문이다. 일부 양태에 있어서, 입자는 호스트 물질보다 더 많이 도핑될 수 있다. 열전 재료는 상기 입자들 또는 내포물의 부재하에 호스트 물질의 각각의 캐리어 농도 및/또는 전하 캐리어 이동도보다 더 큰 캐리어 농도 및/또는 전하 캐리어 이동도를 나타낼 수 있으며, 결과적으로 더 높은 역률(S2σ)을 나타낼 수 있다. 또한, 또는 대안적으로, 열전 재료는 상응하는 전하 캐리어 유형에 대한 호스트 물질의 관련 에너지 밴드에 비하여 더 높은 에너지를 갖는 전하 캐리어 유형에 대한 에너지 밴드(예를 들면, 전도 밴드 또는 가전자 밴드)를 갖는 내포물에 의해 특징지워질 수 있다. 열전 재료는 열전 재료에 대해 본원 명세서에서 논의된 다수의 특성을 임의로 포함할 수 있다. 예를 들면, 열전 재료는 약 1 이상, 약 1.1 이상, 약 1.2 이상, 약 1.3 이상, 약 1.4 이상, 약 1.5 이상 또는 약 2 이상의 ZT 값을 나타낼 수 있다.Another aspect of the invention is to derive a thermoelectric material comprising a host material having a plurality of inclusions or particles dispersed throughout the host. The particles or inclusions may have a size below the threshold, for example, less than about 20 microns. The host material may comprise one or more grains, wherein at least a portion of the grains have a size of greater than about 1 micron or less than about 1 micron (e.g., a maximum size and / or average size at a particular dimension). In some embodiments, the host material is not unduly doped, as in conventional thermoelectric materials, and is not excessively doped, which is responsible for a large portion of the charge carrier, such as at least 50%, at least 80%, at least 90% 99% or more is due to the presence of these inclusions. In some embodiments, the particles can be doped more than the host material. The thermoelectric material may exhibit a greater carrier concentration and / or charge carrier mobility than the respective carrier concentration and / or charge carrier mobility of the host material in the absence of the particles or inclusions, resulting in a higher power factor S 2 σ). In addition, or alternatively, the thermoelectric material can have an energy band (e.g., a conduction band or a valence band) for a charge carrier type that has a higher energy than the associated energy band of the host material for the corresponding charge carrier type And can be characterized by inclusions having. The thermoelectric material may optionally include a number of properties discussed herein for thermoelectric materials. For example, the thermoelectric material may exhibit a ZT value of about 1 or more, about 1.1 or more, about 1.2 or more, about 1.3 or more, about 1.4 or more, about 1.5 or more, or about 2 or more.

본 발명의 일부 양태는 반드시 일정한 비례로 그리지는 않는, 하기 도면들을 참조하여 보다 더 잘 이해할 수 있다.Certain aspects of the invention may be better understood with reference to the following drawings, which are not necessarily drawn to scale.

도 1A는 열전 재료중 복수의 그레인의 도식이며, 이때 일부 그레인은 본 발명의 일부 양태와 일치하는, 하나 이상의 침전 영역을 포함하고;1A is a schematic of a plurality of grains in a thermoelectric material, wherein some of the grains include at least one settling region, consistent with some aspects of the present invention;

도 1B는 본 발명의 일부 양태와 일치하는, 내부에 봉입된(embedded) 내포물을 갖는 호스트 물질의 도식적 다이아그램이고;Figure IB is a schematic diagram of a host material having an embedded inclusion therein, consistent with certain aspects of the present invention;

도 1C는 도 1B에 도시된 물질에 대한 전도 에너지 다이아그램의 도식이고;FIG. 1C is a diagram of the conduction energy diagram for the material shown in FIG. 1B; FIG.

도 2는 일부 양태와 일치하는, 볼 밀링에 의해 제조되는 p형 BiSbTe 나노입자의 XRD 패턴이고;Figure 2 is an XRD pattern of p-type BiSbTe nanoparticles produced by ball milling, consistent with some embodiments;

도 3A는 도 2의 p형 BiSbTe 나노입자의 SEM 영상이고;FIG. 3A is a SEM image of the p-type BiSbTe nanoparticles of FIG. 2; FIG.

도 3B는 도 2의 BiSbTe 나노입자의 보다 낮은 해상도의 TEM 마이크로그래프이고;Figure 3B is a lower resolution TEM micrograph of BiSbTe nanoparticles of Figure 2;

도 3C는 도 3B에 도시된 BiSbTe 나노입자의 보다 높은 해상도의 TEM 마이크로그래프이고;Figure 3C is a higher resolution TEM micrograph of the BiSbTe nanoparticles shown in Figure 3B;

도 4는 본 발명의 일부 양태와 함께 사용될 수 있는 DC 고온 프레스(플라즈마 압력 또는 스파크 플라즈마 소결) 장치의 다이아그램 및 사진이고;4 is a diagram and photograph of a DC hot press (plasma pressure or spark plasma sintering) apparatus that may be used with some aspects of the present invention;

도 5는 일부 양태와 일치하는, 도 2의 입자로부터 제조된 열전 재료 및 현재의 기술 상태의 p형 BiSbTe 합금의 벌크 물질에 대한 전기 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;5 is a graph showing the temperature dependence of the electrical conductivity for the bulk material of the p-type BiSbTe alloy in the state of the art and the thermoelectric material made from the particles of Fig. 2, consistent with some embodiments;

도 6은 일부 양태와 일치하는, 도 2의 입자로부터 제조된 열전 재료 및 현재의 기술 상태의 p형 BiSbTe 합금의 벌크 물질에 대한 제벡 계수의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;Figure 6 is a graph showing the temperature dependence of the heat transfer material made from the particles of Figure 2 and the bulk material of the p-type BiSbTe alloy in the state of the art, the temperature dependence of the Seebeck coefficient, consistent with some embodiments;

도 7은 일부 양태와 일치하는, 도 2의 입자로부터 제조된 열전 재료 및 현재의 기술 상태의 p형 BiSbTe 합금의 벌크 물질에 대한 역률의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;Figure 7 is a graph showing the temperature dependence of the power factor for bulk materials of thermoelectric materials made from the particles of Figure 2 and p-type BiSbTe alloys in the state of the art, consistent with some embodiments;

도 8은 일부 양태와 일치하는, 도 2의 입자로부터 제조된 열전 재료 및 현재의 기술 상태의 p형 BiSbTe 합금의 벌크 물질에 대한 열 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;Figure 8 is a graph showing the temperature dependence of the thermal conductivity of a thermoelectric material made from the particles of Figure 2 and a bulk material of a p-type BiSbTe alloy in the state of the art, consistent with some embodiments;

도 9는 일부 양태와 일치하는, 도 2의 입자로부터 제조된 열전 재료 및 현재의 기술 상태의 p형 BiSbTe 합금의 벌크 물질에 대한 성능 지수, ZT의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;9 is a graph showing the temperature dependence of the ZT, the performance index for the bulk material of the p-type BiSbTe alloy in the state of the art and the thermoelectric material made from the particles of FIG. 2, consistent with some embodiments;

도 10은 도 2의 입자로부터 제조된 열전 재료의 TEM 마이크로그래프이고;10 is a TEM micrograph of thermoelectric material made from the particles of FIG. 2;

도 11은 도 2의 입자로부터 제조된 열전 재료의 확대 TEM 마이크로그래프로서, 조밀하게 팩킹된 나노 그레인들의 나노 크기를 도시한 것이고; FIG. 11 is an enlarged TEM micrograph of the thermoelectric material made from the particles of FIG. 2, showing the nanoscale of tightly packed nanograms;

도 12는 도 2의 입자로부터 제조된 열전 재료의 TEM 마이크로그래프로서, 도 11에 도시된 나노 그레인보다 더 큰 그레인의 존재를 도시한 것이고;FIG. 12 is a TEM micrograph of a thermoelectric material made from the particles of FIG. 2, showing the presence of grain larger than the nanograms shown in FIG. 11;

도 13은 도 2의 입자로부터 제조된 열전 재료의 TEM 마이크로그래프로서, 나노 도트(nanodot)의 존재를 도시한 것이고;FIG. 13 is a TEM micrograph of the thermoelectric material made from the particles of FIG. 2, showing the presence of a nanodot;

도 14는 도 2의 입자로부터 제조된 열전 재료의 TEM 마이크로그래프로서, 작은 각도의 경계를 갖는 나노 도트의 존재를 도시한 것이고;Figure 14 is a TEM micrograph of a thermoelectric material made from the particles of Figure 2 showing the presence of nanodots with small angle boundaries;

도 15는 도 2의 입자로부터 제조된 열전 재료의 TEM 마이크로그래프로서, Te 침전물, Te 침전물의 전자 회절 패턴을 도시한 도면의 삽화를 도시한 것이고;FIG. 15 is a TEM micrograph of a thermoelectric material produced from the particles of FIG. 2, showing an illustration of a diagram showing electron diffraction patterns of Te precipitates and Te precipitates; FIG.

도 16은 일부 양태와 일치하는, p형 SiGe 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 전기 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;16 is a graph showing the temperature dependence of the electrical conductivity for a thermoelectric material made from a p-type SiGe bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 17은 일부 양태와 일치하는, p형 SiGe 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 제벡 계수의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;17 is a graph depicting the temperature dependence of the Seebeck coefficient on thermoelectric materials made from p-type SiGe bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 18은 일부 양태와 일치하는, p형 SiGe 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 열 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;18 is a graph showing the temperature dependence of thermal conductivity for a thermoelectric material made from a p-type SiGe bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 19는 일부 양태와 일치하는, p형 SiGe 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 성능 지수, ZT의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;19 is a graph showing the temperature dependence of the figure of merit, ZT, on thermoelectric materials made from p-type SiGe bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 20은 일부 양태와 일치하는, n형 SiGe 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 전기 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;Figure 20 is a graph showing the temperature dependence of the electrical conductivity for a thermoelectric material made from an n-type SiGe bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 21은 일부 양태와 일치하는, n형 SiGe 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 제벡 계수의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;21 is a graph depicting the temperature dependence of the Seebeck coefficient for a thermoelectric material made from an n-type SiGe bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 22는 일부 양태와 일치하는, n형 SiGe 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 열 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;22 is a graph showing the temperature dependence of thermal conductivity for a thermoelectric material made from an n-type SiGe bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 23은 일부 양태와 일치하는, n형 SiGe 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 성능 지수, ZT의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;23 is a graph depicting the temperature dependence of the figure of merit, ZT, on thermoelectric materials made from an n-type SiGe bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 24는 본 발명의 일부 양태와 일치하는, SiGe 벌크 출발 물질의 볼 밀 처리된 샘플의 TEM 마이크로그래프이고;Figure 24 is a TEM micrograph of a ball milled sample of a SiGe bulk starting material consistent with some aspects of the present invention;

도 25는 고온 압축 후 도 24의 입자의 TEM 마이크로그래프로서, 삽화는 샘플에 대한 상응하는 전자 회절 패턴을 도시한 것이고;Figure 25 is a TEM micrograph of the particle of Figure 24 after high temperature compression, the illustration showing the corresponding electron diffraction pattern for the sample;

도 26은 도 25에 도시된 고온 압축 샘플의 고해상도 TEM 마이크로그래프이고;Figure 26 is a high-resolution TEM micrograph of the hot compression sample shown in Figure 25;

도 27은 일부 양태와 일치하는, p형 Bi0.3Sb1.7Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 전기 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;Figure 27 is a graph showing the temperature dependence of the electrical conductivity for a thermoelectric material made from p-type Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 28은 일부 양태와 일치하는, p형 Bi0.3Sb1.7Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 제벡 계수의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;28 is a graph depicting the temperature dependence of the Seebeck coefficient on thermoelectric materials made from p-type Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 29는 일부 양태와 일치하는, p형 Bi0.3Sb1.7Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 열 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;29 is a graph showing the temperature dependence of thermal conductivity for a thermoelectric material made from a p-type Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 30은 일부 양태와 일치하는, p형 Bi0.3Sb1.7Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 성능 지수, ZT의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;Figure 30 is a graph showing the temperature dependence of the figure of merit, ZT, on thermoelectric materials made from p-type Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 31은 일부 양태와 일치하는, p형 Bi0.5Sb1.5Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 전기 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;Figure 31 is a graph showing the temperature dependence of the electrical conductivity for a thermoelectric material made from a p-type Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 32는 일부 양태와 일치하는, p형 Bi0.5Sb1.5Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 제벡 계수의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;32 is a graph showing the temperature dependence of the Seebeck coefficient on thermoelectric materials made from p-type Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 33은 일부 양태와 일치하는, p형 Bi0.5Sb1.5Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 열 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;33 is a graph showing the temperature dependence of thermal conductivity for a thermoelectric material made from a p-type Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 bulk starting material, consistent with some embodiments;

도 34는 일부 양태와 일치하는, p형 Bi0.5Sb1.5Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 성능 지수, ZT의 온도 의존성을 도시한 그래프이다.34 is a graph showing the temperature dependence of the figure of merit, ZT, on thermoelectric materials made from p-type Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 bulk starting material, consistent with some embodiments.

한 측면으로, 본 발명은 높은 ZT 값을 갖는 열전 재료 및 이러한 물질의 제조 방법에 관한 것이다. 일반적으로, 이러한 열전 재료는 통상적으로 복수의 그레인을 포함한다. 이러한 그레인은, 예를 들면, 열전 재료의 출발 물질과 같은 벌크 물질로부터 수득될 수 있는 나노 크기 그레인의 형태로 존재할 수 있다. 일반적으로, 본 발명의 양태와 일치하는 열전 재료는 다양한 크기의 그레인을 포함할 수 있다. 예를 들면, 열전 재료는 1 ㎛보다 큰 그레인 및 1 ㎛보다 작은 그레인을 다소 가질 수 있다. 일부 양태에 있어서, 열전 재료는 열전 재료의 ZT 값에 역영향을 줄 수 있는 그레인을 실질적으로 포함하지 않는다(예를 들면, 전체 물질의 ZT 값을 약 5% 이상, 약 10% 이상, 약 15% 이상, 약 20% 이상, 약 25% 이상, 약 30% 이상, 약 40% 이상 또는 약 50% 이상 감소시킬 수 있는 불리한 그레인들을 포함하지 않는다). 일부 양태는 평균 그레인 크기가 대략 마이크론(예를 들면, 약 1 마이크론 보다 큼)인 복수의 그레인을 갖는 열전 재료에 관한 것이다. 일부 경우에, 열전 재료는 큰 그레인을 실질적으로 함유할 수 없다. 비제한적인 예는 약 5000 ㎚보다 큰 그레인, 1000 ㎚보다 큰 그레인, 300 ㎚보다 큰 그레인, 100 ㎚보다 큰 그레인, 50 ㎚보다 큰 그레인, 20 ㎚보다 큰 그레인 또는 10 ㎚보다 큰 그레인이 실질적으로 존재하지 않는 것을 포함한다. 다수의 경우에, 이러한 그레인은 평균 크기가, 예를 들면, 약 1 내직 약 50 ㎚의 범위인, 하나 이상의 침전 영역 또는 다른 형태의 내포물을 임의로 포함할 수 있다. 일부 바람직한 양태에서, 그레인들의 적어도 일부, 바람직하게는 실질적으로 모두는 침전 영역, 나노입자 및/또는 다른 형태의 내포물을 포함하며; 이들 다양한 내포물은 동일 반응계내에서 화학 반응 및/또는 이러한 내포물의 삽입에 의해 형성될 수 있다. 추가의 양태는 복수의 그레인 크기(예를 들면, 적어도 일부는 나노 크기 그레인이고, 일부 그레인은 1 마이크론보다 큼)를 갖는 재료에 관한 것으로, 이때 일부 그레인은 침전 영역 또는 다른 형태의 내포물을 임의로 포함할 수 있다. 환언하면, 본 발명의 열전 재료는 침전 영역의 존재 또는 부재하의 서브-마이크론 크기의 그레인, 침전 영역의 존재 또는 부재하의 1 마이크론보다 큰 그레인(예를 들면, 모듈레이션 도핑(modulation doping)을 사용), 또는 침전 영역의 존재 또는 부재하의 서브-마이크론 그레인과 1 마이크론보다 큰 그레인과의 혼합물의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 이들 그레인 중 어떤 것은, 이로써 제한되는 것은 아니지만, 물질 압축 동안의 침전 영역 형성, 호스트 매트릭스로의 입자 삽입, 및/또는 고체 상태 화학 반응에 의한 형성을 포함하는 다수의 메카니즘에 의해 형성될 수 있다.In one aspect, the invention relates to thermoelectric materials having high ZT values and methods of making such materials. Generally, such thermoelectric materials typically comprise a plurality of grains. Such grains may be present in the form of nano-sized grains, which may be obtained, for example, from bulk materials such as starting materials for thermoelectric materials. Generally, thermoelectric materials consistent with aspects of the present invention may include grains of various sizes. For example, a thermoelectric material may have some grains larger than 1 탆 and a grain smaller than 1 탆. In some embodiments, the thermoelectric material is substantially free of grains that can adversely affect the ZT value of the thermoelectric material (e.g., the ZT value of the total material is greater than about 5%, greater than about 10%, greater than about 15 , Not more than about 20%, not more than about 25%, not more than about 30%, not more than about 40%, or not more than about 50%). Some embodiments relate to thermoelectric materials having a plurality of grains having an average grain size of about microns (e.g., greater than about 1 micron). In some cases, the thermoelectric material can not substantially contain large grains. Non-limiting examples include grains larger than about 5000 nm, grains larger than 1000 nm, grains larger than 300 nm, grains larger than 100 nm, grains larger than 50 nm, grains larger than 20 nm, or grains larger than 10 nm, Includes what does not exist. In many cases, such grains may optionally include one or more precipitation regions or other types of inclusions having an average size in the range of, for example, about 50 nm. In some preferred embodiments, at least some, and preferably substantially all, of the grains comprise a precipitation zone, nanoparticles and / or other types of inclusions; These various inclusions can be formed by chemical reactions in the in situ reaction system and / or by the insertion of such inclusions. A further aspect relates to a material having a plurality of grain sizes (e.g., at least some of which are nano-sized grains and some of which are greater than 1 micron), wherein some of the grains optionally include a precipitate region or other form of inclusions can do. In other words, the thermoelectric materials of the present invention can be used in a variety of applications including, but not limited to, sub-micron sized grains in the presence or absence of a precipitation zone, grains greater than 1 micron in the presence or absence of a precipitation zone (e.g., using modulation doping) Or any combination of sub-micron grains in the presence or absence of precipitation regions and grains of greater than 1 micron. Some of these grains can be formed by a number of mechanisms including, but not limited to, formation of a precipitation zone during material compression, particle insertion into the host matrix, and / or formation by solid state chemical reaction.

본 발명의 열전 재료의 ZT 값은 다양한 값을 가질 수 있다. 예를 들면, 열전 재료의 피크 ZT 값 또는 평균 ZT 값은, 출발 물질을 나노입자로 전환시킨 후에 압력하에 승온에서 상기 나노입자를 압축함으로써 열전 재료를 형성시키는 상기 상응하는 출발 물질의 피크 ZT 값 또는 평균 ZT 값보다 클 수 있다. 예를 들면, 열전 재료의 ZT 값은 출발 물질의 ZT 값보다 약 25 내지 약 1000% 더 클 수 있다. 다른 예로, 열전 재료의 ZT 값은 실질적으로 출발 물질의 ZT 값보다 실질적으로 1000%보다 더 클 수 있다. 출발 물질은 ZT 값의 범위를 가질 수 있다. 일부 양태에 있어서, 형성된 열전 재료의 ZT 값은 약 0.8 이상, 약 0.9 이상, 약 1 이상, 약 1.1 이상, 약 1.2 이상, 약 1.3 이상. 약 1.4 이상, 약 1.5 이상, 약 1.6 이상, 약 1.7 이상, 약 1.8 이상, 약 1.9 이상 또는 약 2 이상일 수 있다. 일부 양태에 있어서, 열전 재료는 하한치가 상기 ZT 값들 중 하나이고 상한치는 약 4, 약 5 또는 약 6의 값에 이르는 범위의 ZT 값을 나타낼 수 있다.The ZT value of the thermoelectric material of the present invention may have various values. For example, the peak ZT value or the average ZT value of a thermoelectric material can be calculated from the peak ZT value of the corresponding starting material forming the thermoelectric material by compressing the nanoparticles at elevated temperature under pressure after converting the starting material into nanoparticles or May be greater than the average ZT value. For example, the ZT value of the thermoelectric material can be about 25 to about 1000% greater than the ZT value of the starting material. As another example, the ZT value of the thermoelectric material may be substantially greater than 1000% of the ZT value of the starting material. The starting material may have a range of ZT values. In some embodiments, the thermoelectric material formed has a ZT value of at least about 0.8, at least about 0.9, at least about 1, at least about 1.1, at least about 1.2, at least about 1.3. About 1.4 or more, about 1.5 or more, about 1.6 or more, about 1.7 or more, about 1.8 or more, about 1.9 or more, or about 2 or more. In some embodiments, the thermoelectric material may exhibit a ZT value ranging from a lower limit to one of the ZT values and an upper limit to a value of about 4, about 5, or about 6.

이들 향상된 ZT 값은 온도에 제한되지 않고 확인될 수 있는 한편, 일부 양태에서는 열전 재료가 특별한 온도에서 또는 일정 온도 범위내에서 상기 향상된 ZT 값을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 열전 재료는 약 2000 ℃ 미만, 약 1000 ℃ 미만, 약 800 ℃ 미만, 약 600 ℃ 미만 또는 약 400 ℃ 미만의 온도에서 향상된 ZT 값을 나타낼 수 있다. 다른 예로, 열전 재료는 실온에 이르기 시작하거나 실온을 포함하는 온도 범위(예를 들면, 약 200 ℃ 미만, 약 150 ℃ 미만, 약 100 ℃ 미만, 약 60 ℃ 미만, 약 40 ℃ 미만, 약 30 ℃ 미만 또는 약 20 ℃ 미만의 온도)에서 향상된 ZT 값을 나타낼 수 있다. 또 다른 예로, 열전 재료는 극저온 온도에 이르거나 극저온 온도를 포함하는 온도 범위(예를 들면, 약 0 ℃ 미만, 약 -50 ℃ 미만 또는 약 -100 ℃ 미만의 온도)에서 향상된 ZT 값을 나타낼 수 있고, 이러한 물질은 에어 컨디셔너, 냉장고 또는 초전도체와 같은 특별한 냉각 용도로 유용할 수 있다. 일부 양태에 있어서, 향상된 ZT 값을 나타내는 온도 범위는 열전 재료의 조성에 좌우될 수 있다. 일부 비제한적인 예로, 탄화붕소계 조성물은, 일부 양태에서, 약 2000 ℃ 미만에서 향상된 ZT 값을 나타낼 수 있고, SiGe계 조성물은, 일부 양태에서, 약 1000 ℃ 미만에서 향상된 ZT 값을 나타낼 수 있으며, PbTe계 조성물은, 일부 양태에서, 약 600 ℃ 미만에서 향상된 ZT 값을 나타낼 수 있고/있거나, Bi2Te3계 조성물은, 일부 양태에서, 약 200 ℃ 미만에서 향상된 ZT 값을 나타낼 수 있다. 다른 비제한적인 예로, 열전 재료는 BixSb1-x를 포함하며, 실온 미만(예를 들면, 약 20 ℃ 미만)에서 향상된 ZT를 나타낸다.While these enhanced ZT values can be ascertained without being limited to temperature, in some embodiments the thermoelectric material can exhibit the improved ZT value at a particular temperature or within a certain temperature range. For example, thermoelectric materials can exhibit improved 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. As another example, the thermoelectric material may be heated to a temperature within the range of room temperature or including room temperature (e.g., less than about 200 占 폚, less than about 150 占 폚, less than about 100 占 폚, less than about 60 占 폚, Or less than about < RTI ID = 0.0 > 20 C). ≪ / RTI > As another example, thermoelectric materials can exhibit improved ZT values in cryogenic temperatures or in temperature ranges that include cryogenic temperatures (e.g., less than about 0 ° C, less than about -50 ° C, or less than about -100 ° C) , And such materials may be useful for special cooling applications such as air conditioners, refrigerators or superconductors. In some embodiments, the temperature range exhibiting an improved ZT value may depend on the composition of the thermoelectric material. In some non-limiting examples, the boron carbide-based composition may, in some embodiments, exhibit an improved ZT value below about 2000 ° C and the SiGe-based composition may, in some embodiments, exhibit an improved ZT value below about 1000 ° C , The PbTe-based composition may, in some embodiments, exhibit an improved ZT value below about 600 ° C and / or the Bi 2 Te 3 -based composition may, in some embodiments, exhibit an improved ZT value below about 200 ° C. In another non-limiting example, the thermoelectric material comprises Bi x Sb 1-x and exhibits improved ZT at room temperature (e.g., less than about 20 캜).

특정한 이론과 반드시 결부시키고자 하는 것은 아니나, 이러한 열전 재료의 높은 ZT 값은 열 전도도, 제벡 계수 및 전기 전도도의 임의의 조합에 있어서의 변화의 결과일 수 있다. 열 전도도는 두 개의 기여 인자를 갖는다: 격자 기여 인자 및 전자 기여 인자. 큰 그레인을 갖는 단결정 또는 다결정 샘플에서, 격자 열 전도도는 특정 물질에 대해 고정된다. 그러나, 벌크 물질이 나노 크기의 그레인 및/또는, 나노입자보다 큰 그레인에 봉입된 나노입자로 구성된다면, 나노 그레인 및/또는 봉입된 나노입자로부터 생성되는 세 가지 효과를 생각할 수 있다. 첫 째로, 열 전도도의 격자 부분이 포논(phonon)의 간섭 산란으로 인하여 저하된다. 둘 째로, 제벡 계수가 캐리어 여과 효과로 인하여 증가될 수 있고(통상적으로 저에너지 전자/정공이 산란됨으로써, 제벡 계수가 증가된다), 세 째로, 전기 전도도가 모듈레이션 도핑 효과로 인하여 증가될 수 있다 - 상기 입자들이 캐리어(전자 및 정공) 기여 인자로서 작용함으로써, 균질하게 도핑된 통상적인 물질에 비하여 불순물 산란을 감소시킨다. 열 전도도에 대한 전자의 기여는 전자의 계면 장벽 산란에 의해, 특히 열 전도도에 대한 쌍극 기여에 의해 잠재적으로 감소될 수 있는데, 이는 상기 장벽이 한 형태의 전하(전자 또는 정공)를 우선적으로 산란시키면서 다른 형태의 캐리어에는 실질적으로 영향을 미치지 않을 수 있기 때문이다. 또한, 양자 크기 효과가, S2α가 증가되도록 제벡 계수 및 전기 전도도에 추가로 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 본 발명의 일부 양태는, 예를 들면, P2C를 포함하는 고온 프레스, 단일방향 고온 프레스, 등압 고온 프레스에 의해 치밀한 샘플(예를 들면, 밀도 이론치의 약 90 내지 약 100%)을 제조하기 위하여, 출발 물질을 볼 밀링시킴으로써 제조한 나노입자를 사용할 수 있다. 이들 고온 압축된 샘플은 통상적으로 벌크 대응물(counterpart)에 비해 보다 낮은 열 전도도를 나타내며, 이에 의해 ZT 값이 향상되고; 열 전도도의 저하에 기인하여 얻은 ZT가 충분한 경우에는 역률이 저하될 수도 있기는 하지만, 역률은 대개 유지되거나 향상된다. The high ZT value of such a thermoelectric material, although not necessarily associated with a particular theory, may be the result of a change in any combination of thermal conductivity, Seebeck coefficient, and electrical conductivity. Thermal conductivity has two contributing factors: the lattice contributing factor and the electron contributing factor. In single crystal or polycrystalline samples with large grains, the lattice thermal conductivity is fixed for a particular material. However, if the bulk material consists of nano-sized grains and / or nanoparticles encapsulated in a grain larger than the nanoparticles, then three effects produced from the nanoparticles and / or encapsulated nanoparticles can be considered. First, the lattice part of the thermal conductivity degrades due to phonon interference scattering. Second, the Seebeck coefficient can be increased due to the carrier filtering effect (typically the low energy electron / hole scattering increases the Seebeck coefficient), and third, the electrical conductivity can be increased due to the modulation doping effect Particles act as carrier (electron and hole) contributing factors, thereby reducing impurity scattering compared to homogeneously doped conventional materials. The contribution of electrons to thermal conductivity can be potentially reduced by the interfacial barrier scattering of electrons, in particular by the dipole contribution to thermal conductivity, which causes the barrier to preferentially scatter one type of charge (electrons or holes) And may not substantially affect other types of carriers. In addition, the quantum size effect may further affect the Seebeck coefficient and electrical conductivity such that S 2 ? Is increased. Accordingly, some aspects of the present invention provide a method of making a dense sample (e.g., from about 90% to about 100% of the theoretical density value) by a hot press, a unidirectional hot press, an isostatic hot press comprising P 2 C For the preparation, nanoparticles prepared by ball milling the starting material can be used. These hot compressed samples typically exhibit lower thermal conductivity than bulk counterparts, thereby improving the ZT value; If the ZT obtained due to the deterioration of the thermal conductivity is sufficient, the power factor may be lowered, but the power factor is usually maintained or improved.

일부 양태에 있어서, 열전 재료는 벌크 출발 물질(예를 들면, 벌크 열전 물질)로부터 생성된 그레인을 포함할 수 있다. 그 예로 역률이 큰 벌크 출발 물질 및/또는 양호한 ZT 값(예를 들면, 약 0.1보다 큰 ZT 값)을 갖는 출발 물질이 포함된다. 예를 들면, 출발 물질의 ZT는 약 0.05보다 크거나, 약 0.1보다 크거나, 약 0.2보다 크거나, 약 0.3보다 크거나, 약 0.4보다 크거나, 약 0.5보다 크거나, 또는 이보다 더 높을 수 있다. 일부 비제한적인 경우에, 출발 물질은 ZT 값이 약 0.8보다 낮거나, 약 0.9보다 낮거나, 약 1보다 낮거나, 약 1.1보다 낮거나, 약 1.2보다 낮거나, 약 1.3보다 낮거나, 약 1.4보다 낮거나, 약 1.5보다 낮거나, 또는 약 2보다 낮을 수 있다. 다른 예로, 열전 재료의 출발 물질은 높은 역률(예를 들면, S2α가 20 ㎼/㎝-K2 이상, 바람직하게는 40 ㎼/㎝-K2 이상)뿐만 아니라, 큰 열 전도도(예를 들면, 2 W/mK보다 큼)를 가질 수 있다. 이러한 벌크 열전 물질은 특별히 제조되거나, 시판 물질이 사용될 수 있다. 많은 벌크 출발 물질이 그레인을 생성시키기 위하여 분쇄될 수 있는 고체이기는 하나, 기체 상 응축으로부터 그레인을 생성시키는 경우에는 기체와 같은 다른 열역학적 상태로부터 벌크 출발 물질이 생성될 수도 있고, 화학적 방법으로 그레인을 생성시키는 경우에는 액체와 같은 다른 열역학적 상태로부터 벌크 출발 물질이 생성될 수 있다. 그레인이 하나 이상의 형태의 벌크 출발 물질들 또는 상이한 열역학적 상을 갖는 물질들의 혼합물(예를 들면, 액체와 기체의 혼합물)로부터 생성될 수 있음을 또한 이해한다.In some embodiments, the thermoelectric material may comprise a grain produced from a bulk starting material (e.g., a bulk thermoelectric material). Examples include bulk starting materials with high power factor and / or starting materials with good ZT values (e.g., ZT values greater than about 0.1). For example, the ZT of the starting material may be greater than about 0.05, greater than about 0.1, greater than about 0.2, greater than about 0.3, greater than about 0.4, greater than about 0.5, or even higher have. In some non-limiting cases, the starting material has a ZT value of less than about 0.8, less than about 0.9, less than about 1, less than about 1.1, less than about 1.2, less than about 1.3, 1.4, lower than about 1.5, or lower than about 2. As another example, the starting material of the thermoelectric material may have a high thermal conductivity (for example, S 2 ?) Of not less than 20? / Cm 2 , preferably not more than 40? / Cm 2 K 2 , Greater than 2 W / mK). Such bulk thermoelectric materials may be specially prepared or commercially available materials may be used. Although many bulk starting materials are solids that can be ground to produce grains, bulk starting materials may be produced from other thermodynamic conditions, such as gases, when producing grains from gaseous condensation, and produce grains by chemical methods A bulk starting material can be produced from other thermodynamic conditions such as liquids. It is also understood that the grain can be produced from one or more forms of bulk starting materials or a mixture of materials having different thermodynamic phases (e.g., a mixture of liquid and gas).

많은 출발 물질이 사용될 수 있음에도 불구하고, 일부 양태에 있어서, 벌크 출발 물질은 비스무트계 물질, 납계 물질 및/또는 규소계 물질의 임의의 조합으로부터 선택될 수 있다. 일부 양태에 있어서, 벌크 출발 물질은 다양한 합금, 예를 들면, 비스무트-안티몬-텔루륨 합금, 비스무트-셀레늄-텔루륨 합금, 비스무트-안티몬-텔루륨-셀레늄 합금, 납-텔루륨 합금, 납-셀레늄 합금, 규소-게르마늄 합금 또는 이들의 임의의 조합으로부터 유도될 수 있다. 특별한 양태는 p형 또는 n형 물질인 벌크 출발 물질을 사용하여 유도될 수 있다. 예를 들면, 이러한 출발 물질은 모 조성물(parent composition), 예를 들면, Bi2Te3의 조성적으로 개질된 형태일 수 있다. 예로서, n형 물질은 Bi2Te3중 텔루륨을 셀레늄으로 치환시켜 벌크 물질의 화학양론이 화학식 Bi2Te3-xSex(여기서, x는 약 0 내지 약 0.8의 범위이다)를 갖도록 함으로써 수득할 수 있다. p형 물질의 경우에, 예를 들면, 벌크 물질의 화학양론이 화학식 BixSb2-xTe3(여기서, x는 약 0 내지 약 0.8의 범위이다)을 갖도록 비스무트를 치환시키기 위하여 안티몬이 사용될 수 있다. 특별한 양태에 있어서, 사용된 벌크 출발 물질은 Bi0.5Sb1.5Te3이다. 일반적으로, 벌크 출발 물질은 결정성 물질 또는 다결정성 물질(예를 들면, 평균 결정 그레인 크기가 약 1 마이크론보다 큰 다결정)일 수 있다. 출발 물질의 다른 예는 MgSi2, InSb, GaAs, CoSb3, Zn4Sb3 등을 포함한다. 일부 경우에, 벌크 출발 물질은 임계 역률 값 S2σ가, 예를 들면, 약 20 ㎶/㎝K2 이상인 물질일 수 있다. 이러한 경우에, 벌크 출발 물질은 벌크 출발 물질의 낮은 열 전도도로 인하여 적합한 ZT 값(예를 들면, 약 0.1보다 큼)을 가질 수 있거나, 역률이 임계치이거나 그보다 높을 수 있지만, 출발 물질의 ZT 값은 출발 물질의 비교적 높은 열 전도도로 인하여 낮을 수 있다.Although many starting materials may be used, in some embodiments, the bulk starting materials may be selected from any combination of bismuth-based materials, lead-based materials, and / or silicon-based materials. In some embodiments, the bulk starting material may be selected from a variety of alloys, such as a bismuth-antimony-tellurium alloy, a bismuth-selenium-tellurium alloy, a bismuth-antimony- tellurium-selenium alloy, Selenium alloy, a silicon-germanium alloy, or any combination thereof. Particular embodiments can be derived using bulk starting materials that are p-type or n-type materials. For example, such a starting material may be a parent composition, for example a formally modified form of Bi 2 Te 3 . By way of example, the n-type material may be formed by substituting tellurium in Bi 2 Te 3 with selenium so that the stoichiometry of the bulk material has the formula Bi 2 Te 3-x Se x where x ranges from about 0 to about 0.8. . In the case of p-type materials, for example, antimony may be used to replace bismuth with the stoichiometry of the bulk material having the formula Bi x Sb 2-x Te 3 (where x ranges from about 0 to about 0.8) . In a particular embodiment, the bulk starting material used is Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 . Generally, the bulk starting material may be a crystalline material or a polycrystalline material (e.g., a polycrystalline with an average crystal grain size greater than about 1 micron). Other examples of starting materials include MgSi 2 , InSb, GaAs, CoSb 3 , Zn 4 Sb 3 , and the like. In some cases, the bulk starting material may be a material whose critical power factor value S 2 σ is, for example, at least about 20 ㎶ / cm K 2 . In this case, the bulk starting material may have a suitable ZT value (e.g., greater than about 0.1) due to the low thermal conductivity of the bulk starting material, or the power factor may be a threshold or higher, Can be low due to the relatively high thermal conductivity of the starting material.

일부 양태에 있어서, 열전 재료의 입자(예를 들면, 나노입자)는, 하나 이상의 출발 물질을 연삭/분쇄하는 것이 아닌 방법에 의해 벌크 출발 물질 또는 원소 물질로부터 생성될 수 있다. 입자는 당해 분야의 숙련가에게 공지된 방법을 포함하는, 다수의 방법에 의해 제조할 수 있다. 비제한적인 예는 기체 상 응축, 레이저 어블레이션(laser ablation), 화학적 합성(예를 들면, 습식 또는 건식법), 급속 분무 냉각법 등을 포함한다. 따라서, 본 출원의 범위는 본원 명세서에서 논의된 특정 입자 제조 방법으로 제한되지 않는다. 입자 생성 기술은 압밀을 위한 물질을 생성하기 위한 방식으로 조합될 수 있음을 이해한다. 예를 들면, 일부 입자를 볼 밀링(예를 들면, 호스트 물질을 생성시키기 위하여)에 의해 생성시킬 수 있는 한편, 다른 입자를 하나 이상의 다른 기술(예를 들면, 기체 상 응축, 레이저 어블레이션 등)에 의해 생성시킬 수 있다.In some embodiments, particles of thermoelectric material (e.g., nanoparticles) can be produced from bulk starting materials or elemental materials by methods other than grinding / milling one or more starting materials. The particles may be prepared by a number of methods including those known to those skilled in the art. Non-limiting examples include gas phase condensation, laser ablation, chemical synthesis (e.g., wet or dry processes), rapid atomization cooling, and the like. Thus, the scope of the present application is not limited to the specific method of making the particles discussed herein. It is understood that particle generation techniques may be combined in a manner to produce materials for consolidation. For example, some particles may be generated by ball milling (e.g., to create a host material), while other particles may be created by one or more other techniques (e.g., gas phase condensation, laser ablation, etc.) . ≪ / RTI >

열전 재료를 형성하는 그레인은 다양한 특성을 가질 수 있다. 일부 양태에 있어서, 각각의 그레인은 결정 구조를 갖는다. 이러한 경우에, 열전 재료는, 그레인들에서 우세한 배향이 일반적으로 결여된(예를 들면, 랜덤하게 분산된) 다결정-유사 구조를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 그레인은 또한 그레인 형태에 기인한 우세한 배향의 형태를 나타낼 수 있으며, 이때 그레인의 일반적인 결정 방향은 랜덤하거나, 서로에 대해 다소 우세한 방향을 나타낼 수 있다. 따라서, 이러한 양태는 평균 결정 구조에서의 작은 결함 또는 조성의 불균질에도 불구하고, 평균 결정 구조(예를 들면, 복수의 반도체 층들의 스택(stack)으로서 형성된 초격자 구조를 포함함)를 나타내는 공지된 복수의 열전 재료와는 상당히 상이하다. The grain forming the thermoelectric material may have various properties. In some embodiments, each grain has a crystal structure. In this case, the thermoelectric material may comprise a polycrystalline-like structure that is generally lacking (e.g., randomly distributed) in predominantly oriented grains. In some cases, the grains may also exhibit dominant orientation patterns due to grain morphology, wherein the general grain orientation of the grains may be random or somewhat dominant relative to each other. Thus, this aspect is not surprising given the fact that, despite the small defects in the average crystal structure or the heterogeneity of the composition, it is known that the average crystal structure (including, for example, a superlattice structure formed as a stack of semiconductor layers) Which is significantly different from the plurality of thermoelectric materials formed.

본원 명세서에서 논의된 다양한 열전 재료를 구성하는 그레인은 다양한 크기를 가질 수 있다. 일부 양태에 있어서, 크기는 일반적으로 나노미터-스케일이고, 일반적으로 1 마이크론보다 작다. 예를 들면, 그레인의 평균 그레인 크기는 약 500 ㎚ 미만, 또는 약 200 ㎚ 미만, 또는 약 100 ㎚ 미만, 또는 약 50 ㎚, 또는 약 20 ㎚ 미만일 수 있다. 이러한 양태에 있어서, 평균 그레인 크기는 다소 더 낮은 임계치(예를 들면, 약 1 ㎚)보다 더 클 수 있다. 일부 경우에, 평균 그레인 크기는 당해 분야의 숙련가가 이해하는 방법을 포함하는, 다양한 방법을 사용하여 측정할 수 있다. 예를 들면, 투과 전자 현미경(본원 명세서에서, "TEM(Transmission electron micrograph)"이라고 함)이 그레인을 영상화하기 위하여 사용될 수 있으며, 이어서 그레인의 크기를 측정하고 평균치를 구할 수 있다. 입자가 통상적으로 불규칙한 형태로 존재하므로, 측정된 입자의 크기는 당해 분야의 숙련가에게 공지된 것을 포함하는, 다수의 기술을 사용하여 결정할 수 있다. 예를 들면, 영상(예를 들면, SEM 및/또는 TEM 영상)으로부터의 그레인의 최대 치수를 사용할 수 있거나, 표면적 측정 또는 영상으로부터의 그레인의 유효-단면적에 기초하여 유효 직경을 계산할 수 있다.The grains constituting the various thermoelectric materials discussed herein may have varying sizes. In some embodiments, the size is generally nanometer-scale and is generally less than 1 micron. For example, the average grain size of the grain may be less than about 500 nm, or less than about 200 nm, or less than about 100 nm, or about 50 nm, or less than about 20 nm. In this aspect, the average grain size may be greater than a somewhat lower threshold (e.g., about 1 nm). In some cases, the average grain size can be measured using a variety of methods, including those understood by those skilled in the art. For example, a transmission electron microscope (referred to herein as a "transmission electron micrograph") can be used to image the grain, and then the size of the grain can be measured and the average value determined. Since the particles are typically present in an irregular form, the size of the measured particles can be determined using a number of techniques, including those known to those skilled in the art. For example, the largest dimension of grain from an image (e.g., SEM and / or TEM image) can be used, or the effective diameter can be calculated based on surface area measurements or the effective cross-sectional area of the grain from the image.

본 발명의 다수의 양태에 있어서, 열전 재료의 그레인은 최종 생성물이 원하는 특성(예를 들면, 향상된 ZT 값)을 나타내도록 압축할 수 있다. 일부 양태에 있어서, 열전 재료는 낮은 다공도를 나타내는 구조로 압축된 그레인들을 포함하며(예를 들면, 최종 생성물의 실제 밀도는 상기 조성물, 예를 들면, 일부 양태에 있어서 나노입자를 제조하기 위하여 사용된 벌크 출발 물질의 이론 밀도에 근접할 수 있다), 이는 향상된 ZT 값을 얻는 것을 도울 수 있다. 다공도는 상기 물질의 이론 밀도와 실제 밀도간의 차이를 이론 밀도로 나눈 것으로서 정의한다. 일반적으로, 문구 "이론 밀도"는 당해 분야의 숙련가에게 공지되어 있다. 열전성 재료의 다공도는 약 10% 미만, 약 5% 미만, 또는 약 4% 미만, 또는 약 3% 미만, 또는 약 2% 미만, 또는 약 1% 미만, 또는 약 0.5% 미만, 또는 약 0.1% 미만일 수 있다. 일부 양태에 있어서, 열전 재료는 이론 밀도의 100%에 이르는 밀도를 나타낸다. 일부 양태에 있어서, 열전 재료의 밀도는 100%와, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5% 또는 99.9%와의 사이이거나, 각각의 이론 밀도일 수 있다. 이론과 반드시 결부시키고자 하는 것은 아니나, 압축은 그레인들간의 접촉 유지를 도울 수 있으며, 이는 열전 재료의 전기 전도도를 유지시키는 것을 도울 수 있는 것으로 여겨진다.In many aspects of the present invention, the grain of thermoelectric material can be compressed such that the final product exhibits the desired properties (e.g., improved ZT value). In some embodiments, the thermoelectric material comprises grains compacted in a structure that exhibits low porosity (e.g., the actual density of the final product is greater than the actual density of the final product used in the composition, e. G., In some embodiments, Which may be close to the theoretical density of the bulk starting material), which can help to obtain an improved ZT value. Porosity is defined as the difference between the theoretical density and the actual density of the material divided by the theoretical density. In general, the phrase "theoretical density" is known to those skilled in the art. The porosity of the thermoelectric material may be less than about 10%, less than about 5%, or less than about 4%, or less than about 3%, or less than about 2%, or less than about 1% ≪ / RTI > In some embodiments, the thermoelectric material exhibits a density up to 100% of the theoretical density. In some embodiments, the density of the thermoelectric material may be between 100% and 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, or 99.9%, or may be the respective theoretical density. Without wishing to be bound by theory, it is believed that compression can help maintain contact between the grains, which can help maintain the electrical conductivity of the thermoelectric material.

일부 양태는 복수의 그레인으로부터 형성된 열전 재료에 관한 것으로, 이때 하나 이상의 그레인은 하나 이상의 침전 영역을 포함할 수 있다. 예로서, 도 1은 복수의 그레인(110)을 포함하는 다결정 구조를 나타내는 이러한 열전 재료를 도식적으로 도시한 것이다. 그레인은 또한 하나 이상의 침전 영역(120)을 포함할 수 있으며, 이는 열전 재료의 열전 특성을 개선할 수 있다. 침전 영역은 그레인의 나머지 부분과 상이한 조성 및/또는 상을 갖는 것과 같은 조성의 불균질을 특징으로 할 수 있다. 침전 영역은 또한 상이한 결정 방향으로 배향됨에도 불구하고, 침전 영역이 침전 영역이 봉입된 매트릭스와 유사한 결정 구조를 가짐을 특징으로 할 수 있다. 일부 양태에 있어서, 침전 영역의 존재로 인한 결함에도 불구하고, 하나 이상의 침전 영역이, 그레인에 봉입된 별개의 입자(예를 들면, 나노입자)로서 체화(embodied)되거나, 전체 그레인이 결정으로서 체화될 수 있다. 일부 양태에 있어서, 열전 재료는 침전 영역을 갖지 않는 다른 그레인을 포함할 수 있다. 대안적 양태로, 열전 재료를 구성하는 실질적으로 모든 그레인이 침전 영역을 포함한다. 침전 영역은 통상적으로 약 10 ㎚ 이하 또는 약 50 ㎚ 이하(예를 들면, 약 1 내지 약 50 ㎚의 범위)의 크기(예를 들면, 최대 평균 크기)를 갖는다. 침전 영역의 형성은 본원 명세서에 전문이 참조로 인용되는, 발명의 명칭이 "높은 열전 성능 지수를 갖는 나노 복합재(Nanocomposites with High Thermoelectric Figures of Merit)"인 2004년 10월 29일자로 출원된 미국 특허원 제10/977,363호의 미국 특허공보 US 제2006/0102224호에서 논의된 기술을 포함하는 다양한 방식으로 성취할 수 있다.Some embodiments relate to a thermoelectric material formed from a plurality of grains, wherein the one or more grains may comprise one or more precipitation regions. By way of example, FIG. 1 schematically illustrates this thermoelectric material exhibiting a polycrystalline structure comprising a plurality of grains 110. The grain may also include one or more settling regions 120, which can improve the thermoelectric properties of the thermoelectric material. The settling region may be characterized by a heterogeneous composition such as having a composition and / or phase different from the rest of the grain. The precipitation region may also be characterized in that the precipitation region has a crystal structure similar to that of the matrix in which the precipitation region is encapsulated, although it is oriented in different crystal directions. In some embodiments, in spite of a defect due to the presence of the precipitation region, one or more of the precipitation regions may be embodied as discrete particles (e.g., nanoparticles) encapsulated in the grain, . In some embodiments, the thermoelectric material may comprise other grains that do not have a settling region. In an alternative embodiment, substantially all of the grains constituting the thermoelectric material comprise a settling region. The precipitation region typically has a size (e.g., a maximum average size) of about 10 nm or less or about 50 nm or less (e.g., in a range of about 1 to about 50 nm). The formation of the precipitation zone is described in U.S. Pat. No. 5,502,505, filed October 29, 2004, entitled " Nanocomposites with High Thermoelectric Figures of Merit ", the title of which is incorporated herein by reference in its entirety. May be accomplished in a variety of ways, including those discussed in U. S. Patent Application Publication No. US 2006/0102224 to < RTI ID = 0.0 > 10 / 977,363.

일부 경우에, 침전 영역은, 예를 들면, 본원 명세서에서 논의된 방법에 의한 열전 재료의 형성을 통해 자발적으로 생성된다. 다른 경우에, 침전 영역은 상이한 융점을 갖는 두 가지 유형의 나노입자들을 혼합함으로써 생성한다. 예를 들면, 하나의 유형은 다른 유형보다 낮은 융점을 가질 수 있다. 나노입자들을 혼합하고, 이들을 가열/압밀(예를 들면, 나노입자들 중 하나의 유형의 융점에는 근접하지만, 다른 유형의 융점 미만인 온도에서)시킴으로써, 보다 낮은 융점을 갖는 나노입자가 다른 유형의 나노입자 주위에 그레인을 형성할 수 있다. 환언하면, 하나의 유형의 나노입자로부터 형성된 그레인이 다른 유형의 나노입자를 봉입할 수 있다. 이러한 봉입된 나노입자를 형성하기 위하여 사용될 수 있는 앙상블 물질(ensemble material)의 예로는 비스무트-텔루라이드 물질 시스템, 납-텔루라이드 물질 시스템, 규소-게르마늄 물질 시스템 등이 포함된다.In some cases, the precipitation region is spontaneously produced, for example, through the formation of a thermoelectric material by the methods discussed herein. In other cases, the precipitation zone is created by mixing two types of nanoparticles having different melting points. For example, one type may have a lower melting point than another type. By mixing the nanoparticles and heating / consolidating them (for example, at a temperature close to the melting point of one type of nanoparticles, but below the melting point of the other type), the nanoparticles with the lower melting point are mixed with another type of nano Grain can be formed around the particles. In other words, grains formed from one type of nanoparticle can encapsulate other types of nanoparticles. Examples of ensemble materials that can be used to form such encapsulated nanoparticles include bismuth-telluride material systems, lead-telluride material systems, silicon-germanium material systems, and the like.

상기 언급한 논의가 명백하게 열전 재료 중에 침전을 형성시키는 것에 관한 것이기는 하나, 매트릭스 속에 다른 형태의 내포물을 사용(예를 들면, 호스트 속에 나노입자를 사용)함으로써 다른 물질이 형성됨을 이해해야 한다. 예를 들면, 열전 재료를 형성하기 위해 함께 혼합될 수 있는 두 가지 이상의 유형의 나노입자들은 침전물을 포함할 수 없지만, 여전히 유용한 특성을 가질 수 있다(예를 들면, 모듈레이션 도핑 사용). 따라서, 침전에 관한 본원 명세서의 개시는, 경우에 따라, 다른 형태의 내포물에 대해 이용될 수도 있다. 예를 들면, 침전 영역 또는 내포물 영역은 입자와 호스의 고체상 화학 반응을 통해 형성될 수 있다(예를 들면, SiGe 호스트 중의 Si와 Mo, Fe, Mn, Mg, Ag, Cr, W, Ta, Ti, Cu, Ni 또는 V 금속 입자가 반응하여 MoSi2, FeSi2, MgSi2 등의 입자를 형성함).It should be understood that while the above discussion is directed to forming precipitates in thermoelectric materials, other materials are formed by using different types of inclusions in the matrix (e.g., using nanoparticles in a host). For example, two or more types of nanoparticles that can be mixed together to form a thermoelectric material can not contain a precipitate, but may still have useful properties (e.g., using modulation doping). Thus, disclosure of the disclosure herein for precipitation may be used for other types of inclusions, as the case may be. For example, the precipitation region or inclusion region can be formed through a solid phase chemical reaction of the particles with the hose (for example, Si and Mo in Fe, Mn, Mg, Ag, Cr, W, Ta, Ti , Cu, Ni or V metal particles react to form particles such as MoSi 2 , FeSi 2 , and MgSi 2 ).

특별한 이론으로 한정하고자 하는 것은 아니나, 침전 영역 또는 다른 형태의 내포물은 열전 재료에서 포논 산란을 향상시킬 수 있으며, 이는 열전 재료의 열 전도도의 저하를 유도할 수 있는 것으로 생각된다. 또한, n-도핑되거나 p-도핑된 영역은, 예를 들면, 모듈레이션 도핑 메카니즘을 통해 열전 재료의 전기 전도도를 향상시킬 수 있다. 이러한 경우에, 전하 캐리어(전자 및 정공) 중 일부 또는 모두는 침전 영역 또는 보다 큰 그레인에 봉입된 다른 내포물에 의해 공여될 수 있다. 내포물 영역들 간의 거리가 균질하게 도핑된 물질 중의 원자 도펀트들 간의 거리보다 더 클 수 있기 때문에, 상기 전하 캐리어의 불순물 산란은 균질하게 도핑된 물질의 불순물 산란에 비하여 감소된다. 이러한 모듈레이션 도핑 유사 메카니즘은 캐리어 이동도의 향상을 통하여 전기 전도도를 증가시킬 수 있다. 일부 경우에, 이들 침전 영역 또는 다른 내포물은 높은 에너지 캐리어보다는 낮은 에너지 캐리어를 더 산란시킴으로써 제벡 계수를 향상시킬 수도 있다. 따라서, 침전 영역 또는 다른 내포물은 열전 재료의 ZT를 향상시킬 수 있다.Without wishing to be bound by any particular theory, it is believed that the precipitate region or other types of inclusions can improve phonon scattering in the thermoelectric material, which can lead to a reduction in the thermal conductivity of the thermoelectric material. In addition, the n-doped or p-doped regions can enhance the electrical conductivity of the thermoelectric material, for example, through a modulation doping mechanism. In this case, some or all of the charge carriers (electrons and holes) may be donated by the deposition region or other inclusions enclosed in a larger grain. Since the distance between the inclusion regions can be greater than the distance between atomic dopants in the homogeneously doped material, the impurity scattering of the charge carriers is reduced relative to the impurity scattering of the homogeneously doped material. Such a modulation doping-like mechanism can increase the electrical conductivity through the improvement of the carrier mobility. In some cases, these precipitation areas or other inclusions may improve the Seebeck coefficient by further scattering lower energy carriers than higher energy carriers. Thus, the precipitation zone or other inclusions can improve the ZT of the thermoelectric material.

다른 양태에 있어서, 침전 영역, 또는 그레인 영역이나 다른 내포물이 우선적으로 도핑될 수 있다. 이러한 경우, 이들 영역의 캐리어는 이들이 보다 높은 위치 에너지로 존재하는 때에 주변의 호스트 매질 속으로 빠져들 수 있다. 예를 들면, 모듈레이션 도핑의 경우에, 호스트 물질에서의 도핑이 상응하게 감소하거나 완전히 제거됨으로써, 이온화된 불순물의 산란을 감소시켜 호스트에서의 전자 이동도를 향상시킬 수 있다.In other embodiments, the precipitate region, or grain region, or other inclusions may be preferentially doped. In this case, the carriers in these regions can fall into the surrounding host medium when they are present at higher potential energy. For example, in the case of modulation doping, the doping in the host material is correspondingly reduced or completely eliminated, thereby reducing the scattering of the ionized impurities and improving the electron mobility in the host.

그레인 내에 침전 영역 또는 다른 내포물을 포함하는 양태는 다수의 입자 크기를 나타낼 수 있다. 일부 양태에 있어서, 입자 크기는 일반적으로 마이크론보다 작은 그레인에 대해 본원 명세서에 기술된 크기와 일치한다. 예를 들면, 평균 그레인 크기는 약 500 ㎚ 미만, 약 200 ㎚ 미만, 약 100 ㎚ 미만, 약 50 ㎚ 미만 또는 약 20 ㎚ 미만일 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 평균 그레인 크기는 약 1 ㎚보다 클 수 있다. 하나 이상의 내포물을 갖는 다른 양태에 있어서, 그레인 크기는 마이크론보다 클 수 있다. 예를 들면, 복수의 그레인은 약 2 마이크론, 약 5 마이크론 또는 약 10 마이크론의 평균 크기를 가질 수 있다. 특별한 양태로, 복수의 그레인은 약 1 내지 약 10 마이크론의 범위, 약 1 내지 약 5 마이크론의 범위, 또는 약 1 내지 약 2 마이크론의 범위의 평균 크기를 갖는다.Embodiments that include a precipitation zone or other inclusions in the grain may exhibit multiple particle sizes. In some embodiments, the grain size is generally consistent with the size described herein for grains smaller than microns. For example, the average grain size may be less than about 500 nm, less than about 200 nm, less than about 100 nm, less than about 50 nm, or less than about 20 nm. Alternatively or additionally, the average grain size may be greater than about 1 nm. In other embodiments having one or more inclusions, the grain size may be greater than microns. For example, the plurality of grains can have an average size of about 2 microns, about 5 microns, or about 10 microns. In a particular embodiment, the plurality of grains have an average size in the range of about 1 to about 10 microns, in the range of about 1 to about 5 microns, or in the range of about 1 to about 2 microns.

침전 영역 또는 내포물의 크기는 다양할 수도 있다. 예를 들면, 침전 영역의 크기는 침전 영역이 봉입되는 그레인의 크기에 의해 제한될 수 있다. 다수의 양태에 있어서, 침전 영역 또는 내포물은 바람직하게는 약 1 내지 약 50 ㎚의 범위, 또는 약 1 내지 약 20 ㎚의 범위의 평균 크기를 가질 수 있다. 다른 예로, 예를 들면, 모듈레이션 도핑 메카니즘이 전자 성능을 증가시키기 위하여 사용되는 경우에, 침전 영역 또는 내포물은, 보다 큰 크기, 예를 들면, 1 ㎚ 내지 10 마이크론의 크기를 가질 수 있는 한편, 주변 영역의 포논 열 전도도 감소는 합금화 또는 나노 그레인화에 의해 성취된다.The size of the deposit area or inclusions may vary. For example, the size of the settling region can be limited by the size of the grain in which the settled region is enclosed. In many embodiments, the precipitate region or inclusions may have an average size ranging preferably from about 1 to about 50 nm, or from about 1 to about 20 nm. In another example, for example, where a modulation doping mechanism is used to increase electronic performance, the deposition region or inclusions may have a larger size, for example, a size of 1 nm to 10 microns, Reduction of the phonon thermal conductivity of the region is achieved by alloying or nanogramming.

일부 양태는 향상된 성능 지수를 성취하기 위한 모듈레이션 도핑을 나타내는 제조된 열전 재료에 관한 것이다. 일부 양태에 있어서, 열전 재료는 호스트 물질에 봉입되는 입자(예를 들면, 나노입자) 또는 다른 내포물을 포함할 수 있으며, 이때 내포물은 호스트에 전하 캐리어(예를 들면, 전자 또는 정공)를 공여함으로써, 호스트에서의 캐리어 이동도를 증가시킨다. 이는 전체 열전 재료의 전기 전도도를 유용하게 개선시킬 수 있고, 따라서, 열전 재료의 열전 성능, 예를 들면, 열전 재료의 ZT 값에 의해 특징지워지는 열전 성능을 향상시킬 수 있다. 다수의 이러한 경우에, 호스트는, 먼저 도핑되지 않거나 열전 재료에 대한 통상적인 도핑 값 미만인 n형 또는 p형 도핑 수준(통상적으로, 공간적으로 실질적으로 균일한 도핑 수준)을 갖도록 선택된다. 예를 들면, 호스트의 초기 도핑 수준은 통상적인 열전 재료보다 1.5배, 2배, 5배, 10배, 100배 또는 1000배 적을 수일 수 있다. 또한, 봉입된 내포물(예를 들면, 침전 부위 또는 개별적인 입자들)은 도핑되거나 도핑되지 않은 물질로 형성될 수 있다. Some aspects relate to thermoelectric materials that are fabricated to exhibit modulated doping to achieve an improved figure of merit. In some embodiments, the thermoelectric material can comprise particles (e.g., nanoparticles) or other inclusions that are encapsulated in a host material, wherein the inclusions are formed by donating a charge carrier (e. G., Electrons or holes) , And increases the carrier mobility at the host. This can advantageously improve the electrical conductivity of the entire thermoelectric material, and thus improve the thermoelectric performance, which is characterized by the thermoelectric performance of the thermoelectric material, for example, the ZT value of the thermoelectric material. In many such cases, the host is selected to have an n-type or p-type doping level (typically, a spatially substantially uniform doping level) that is not initially doped or is less than the typical doping value for thermoelectric materials. For example, the initial doping level of a host can be 1.5 times, 2 times, 5 times, 10 times, 100 times, or 1000 times less than a conventional thermoelectric material. Also, the enclosed inclusions (e.g., the settling region or individual particles) can be formed of a doped or undoped material.

예로서, 도 1B는 복수의 입자(140)가 봉입된 호스트(130)를 포함하는 열전 재료를 도식적으로 도시한 것으로 - 입자들은 내포물들로서 작용한다. 이 경우에, 호스트는 복수의 그레인(135), 예를 들면, 복수의 결정성 그레인을 포함하며, 이들은 일부 경우에 약 1 마이크론 미만인, 예를 들면, 약 500 ㎚ 내지 약 1 마이크론 미만의 범위의 크기(예를 들면, 모든 치수에서의 최대 입자 크기)를 갖는다. 다른 경우에, 그레인 크기는 더 클 수 있는데, 예를 들면, 약 1 내지 약 20 마이크론의 범위일 수 있다. 또한, 일부 경우에, 입자는 약 1 마이크론 미만, 예를 들면, 약 1 내지 약 200 ㎚의 범위 또는 약 2 내지 약 100 ㎚의 범위의 크기(예를 들면, 모든 방향에서 최대 크기)를 가질 수 있는 반면에, 다른 경우에 입자 크기는 1 마이크론 이상, 예를 들면, 약 1 내지 약 10 마이크론의 범위일 수 있다. 내포물(140)은 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 이들은 본원 명세서에서 다른 양태에 대해 논의된 것을 포함하는 적절한 기술을 사용하여 침전 영역으로서 형성될 수 있다. 다른 경우에, 이들은, 예를 들면, 발명의 명칭이 "높은 열전 성능 지수를 갖는 나노 복합재"인 상기 참조된 특허출원에서 논의된 기술을 사용하여 호스트의 것과 상이한 물질로부터 형성될 수 있다. 또 다른 경우에, 입자는, 예를 들면, 압밀 단계 동안 고체 상 화학 반응을 통해 형성될 수 있다. By way of example, FIG. 1B schematically illustrates a thermoelectric material comprising a host 130 in which a plurality of particles 140 are encapsulated, wherein the particles act as inclusions. In this case, the host comprises a plurality of grains 135, e.g., a plurality of crystalline grains, which in some cases are less than about 1 micron, for example, in the range of about 500 nm to less than about 1 micron Size (e. G., The maximum particle size at all dimensions). In other cases, the grain size may be larger, for example, in the range of about 1 to about 20 microns. Further, in some cases, the particles may have a size in the range of less than about 1 micron, for example, in the range of about 1 to about 200 nm, or in the range of about 2 to about 100 nm (e.g., the maximum size in all directions) While in other cases the particle size can be in the range of 1 micron or more, for example, from about 1 to about 10 microns. The inclusions 140 can be formed in a variety of ways. For example, they may be formed as precipitation areas using appropriate techniques, including those discussed herein with respect to other aspects. In other cases, these may be formed from a material different from that of the host using, for example, the technique discussed in the above referenced patent application entitled " Nanocomposite with High Thermoelectric Performance Index ". In yet another case, the particles can be formed, for example, through a solid phase chemical reaction during the consolidation step.

일반성의 상실없이, 본 예에서, 호스트(130)는 마이크론 크기 및/또는 나노 크기의 복수의 그레인(135)을 갖는 SiGe 합금으로 추정되며, 입자(140)는 SiGe 합금에 봉입된 MoSi2(규화 몰리브덴)일 수 있다. 이러한 열전 재료는, 예를 들면, 하기의 방식으로 형성될 수 있다: 몰리브덴을 SiGe에 가하고, 상기 물질을 용융시킨 다음, 상기 물질을 냉각(예를 들면, 상기 논의된 방식으로)시켜 잉고트를 제조하며, 이는 필요에 따라, 연삭 및 압축할 수 있다. 이러한 접근법에서, MoSi2 입자는, 예를 들면, 냉각 공정 동안 Mo와 Si의 고체 상태 화학 반응을 통해 형성된다. SiGe 호스트는, 다른 경우에는 그럴 수 있을지라도, 본 예에서는 과도하게 도핑되지 않으며, 예를 들면, 상기 SiGe 호스트는 p형 도핑될 수 있지만, 통상적인 SiGe 열전 재료에서보다 2, 5, 10 또는 100의 팩터만큼 적을 수 있다. 또한, 정공은 MoSi2의 존재에 의해 생성될 수 있다. 호스트에 대한 이러한 정공의 공여는 열전 재료에서의 정공 이동도를 향상시키고, 따라서 전기 전도도를 향상시키며, 결과적으로 열전 재료의 열전 성능을 향상시킬 수 있다. 다른 경우에, 입자는, Si 원소 및 Ge 원소, 또는 SiGe 결정성 합금을 Fe, Mn, Mg, Cr, W, Ta, Ti, Cu, Ni 또는 V와 연삭함으로써 FeSi2, MgSi2 등의 입자를 형성함에 의한, 또는 각각의 상기 규화물과 Si 원소 및 Ge 원소 또는 SiGe 합금을 함께 연삭함에 의한, 호스트(예를 들면, SiGe) 중의 Si의 고체 상태 화학 반응을 통해 형성시킬 수 있다. 이들 중 일부는 n형에 적용될 수 있는 한편, 다른 것은 p형 물질에 적용될 수 있다. Si와 반응하지 않는 다른 나노입자(예를 들면, 금속성 나노입자 및/또는 반도체 나노입자)가, 내포물로서의 Ag와 같은 모듈레이션 도핑을 생성하기 위하여 사용될 수도 있다.Without loss of generality, in this example, the host 130 is assumed to be a SiGe alloy having a plurality of grains 135 of micron and / or nano size, and the particles 140 are MoSi 2 Molybdenum). This thermoelectric material can be formed, for example, in the following manner: molybdenum is added to SiGe, the material is melted, and the material is cooled (e.g., in the manner discussed above) to produce the ingot , Which can be ground and compressed as needed. In this approach, MoSi 2 particles is, for example, during the cooling step is formed through the Mo and Si in the solid state chemical reactions. The SiGe host may be doped p-type, for example, although the SiGe host is otherwise unduly doped in this example, for example, the SiGe host may be doped p, Lt; / RTI > In addition, holes can be generated by the presence of MoSi 2 . This hole donation to the host improves the hole mobility in the thermoelectric material, thus improving the electrical conductivity and consequently improving the thermoelectric performance of the thermoelectric material. In other cases, the particles are obtained by grinding particles of FeSi 2 , MgSi 2 or the like by grinding Si element and Ge element or SiGe crystalline alloy with Fe, Mn, Mg, Cr, W, Ta, Ti, Cu, Or by solid state chemical reaction of Si in the host (e.g., SiGe) by grinding together the Si element and the Ge element or the SiGe alloy with each of the silicides. Some of these can be applied to n-type, while others can be applied to p-type materials. Other nanoparticles (e.g., metallic nanoparticles and / or semiconductor nanoparticles) that do not react with Si may be used to produce modulation doping, such as Ag, as inclusions.

특별한 이론으로 제한하고자 하는 것은 아니나, 입자로부터 호스트로의 전하 캐리어의 이러한 공여에 대한 추가 설명을 위하여, 도 1C는 호스트 물질에 상응하는 부분(151, 152, 153) 및 호스트에 봉입된 입자에 상응하는 부분(161, 162)을 나타내는 가설적 열전 재료(예를 들면, 내부에 봉입된 MoSi2 입자를 갖는 상기 SiGe계 재료)에 상응하는 전하 캐리어 에너지 다이아그램을 도식적으로 도시한 것이다. 상기 다이아그램은 도식적인 것으로, 단지 예시를 위한 목적으로 도시한 것이다. 입자 161, 162의 에너지 밴드(예를 들면, 전도 밴드 또는 가전자 밴드)에서의 전하 캐리어(예를 들면, 전자 또는 정공)는, 전도 밴드 또는 가전자 밴드일 수 있는 호스트 151, 152, 153의 에너지 밴드에서의 에너지보다 더 높은 에너지를 가질 수 있다. 따라서, 입자에서의 추가의 도핑에 기인하거나 입자 고유의 큰 전자 밀도(금속 또는 반금속에서와 같은)에 기인한 것일 수 있는, 입자 중의 다수의 전하 캐리어는, 이들의 에너지를 저하시키기 위하여 호스트로 이동할 수 있다. 입자로부터 호스트로의 이러한 전하 캐리어 수송은, 예를 들면, 호스트 물질 중의 도펀트를 감소시키고, 이에 따라, 이온화된 불순물의 산란을 감소시킴으로써, 캐리어 이동도를 유리하게 증가시킬 수 있다. 이러한 방식에서, 보다 높은 전기 전도가 성취될 수 있다. 일부 경우에, 그레인 경계들이 여전히 전자들을 산란시키기 때문에, 총체적인 보다 높은 전자 이동도가 성취되지 않더라도, 이러한 모듈레이션 도핑법은 전자 그레인 경계 산란에 기인하는 이동도의 감소를 보상함으로써 여전히 유익하다. 모듈레이션 도핑에 사용된 입자들은, 이들이 낮은 에너지 캐리어를 산란시킬 수 있기 때문에 보다 높은 제벡 계수를 잠정적으로 유도할 수도 있고, 또한 포논과 전자 둘 다의 감소된 열 전도도를 잠정적으로 유도할 수도 있다. 다른 경우에, 입자들은 호스트에 전자를 공여하기 보다는 오히려, 호스트에 정공을 공여할 수 있다. 또한, 특별한 이론으로 한정하고자 하는 것은 아니나, 입자로부터 호스트로의 전하 캐리어의 이러한 공여에 대한 메카니즘은, 입자의 가전자 밴드의 보다 높은 에너지 수준으로부터 호스트의 가전자 밴드의 보다 낮은 에너지 수준으로 이동하는 다소의 정공, 또는 호스트의 가전자 밴드의 전자를 입자 속으로 끌어당겨 호스트에 보다 많은 정공을 생성시킴에 의한 다소의 정공에 기초할 수 있거나, 호스트의 가전자 밴드의 전자를 입자 속으로 끌어당겨 호스트에 보다 많은 정공을 생성시킴에 기초할 수 있다.For a further illustration of this donation of charge carriers from particle to host, although not to be construed as a particular theory, FIG. 1C illustrates a portion 151, 152, 153, corresponding to the host material, (For example, the SiGe-based material having MoSi 2 grains sealed therein) showing the portions 161 and 162 of the SiGe-based materials 161 and 162, respectively. The diagram is schematic and is presented for illustrative purposes only. The charge carriers (e.g., electrons or holes) in the energy bands (e.g., the conduction band or the valence band) of the particles 161 and 162 may be either the conduction band or the valence band of the host 151, It can have higher energy than the energy in the energy band. Thus, a number of charge carriers in a particle, which may be due to further doping in the particles or due to a large electron density (such as in a metal or semimetal) inherent to the particles, Can be moved. Such charge carrier transport from particle to host can advantageously increase carrier mobility, for example, by reducing the dopant in the host material and thus reducing the scattering of ionized impurities. In this manner, higher electrical conduction can be achieved. In some cases, even though a higher overall electron mobility is not achieved, grain boundary boundaries still scatter electrons, so this modulation doping is still beneficial by compensating for the reduction in mobility due to electron grain boundary scattering. The particles used in the modulation doping may potentially induce higher Gebeck coefficients, as they can scatter low energy carriers, and may also potentially induce reduced thermal conductivity of both phonons and electrons. In other cases, the particles can donate holes to the host rather than donating electrons to the host. Furthermore, while not wishing to be bound by any particular theory, it is believed that the mechanism for this donation of charge carriers from particle to host is to move from the higher energy level of the valence band of the particle to the lower energy level of the host valence band Some of the holes, or electrons in the host band of the host, can be pulled into the particles to create more holes in the host, or they can be based on some holes in the host, And may be based on generating more holes in the host.

일반적으로, 출발 물질의 유형, 향상된 ZT가 측정되는 온도, 그레인 성분들, 형성 방법, 및 이들 양태와 관련될 수 있는 다른 특성들과 공정들은, 본 출원에서 논의된 모든 특징들 및 방법을 포함하며, 이들은 기술된 그레인 크기, 침전 영역 및/또는 다른 내포물과 일관성이 있다. 예를 들면, 그레인은, 상기 논의된 바와 같은, 적절한 열전 재료로부터 형성될 수 있고, n형 또는 p형 도펀트를 추가로 포함할 수 있다. 다른 예로, 형성된 열전 재료는 ZT 값이 약 1.0 이상, 약 1.5 이상, 약 2 이상이거나, 또는 약 1 내지 약 5의 범위이다. 또 다른 예로, 형성된 열전 재료는 약 2000 ℃ 미만, 약 1000 ℃ 미만, 약 600 ℃ 미만, 약 200 ℃ 미만 또는 약 20 ℃ 미만의 작동 온도에서 ZT 값(예를 들면, 출발 물질에 비해 향상된)을 갖는다. 다른 예로, 열전 재료의 그레인은 비스무트계 물질(예를 들면, Bi2Te3 및/또는 이의 관련 합금), 규소계 물질 및 납계 물질 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 열전 재료의 제조와 관련하여, 벌크 출발 물질 또는 원소 물질로부터 나노입자를 형성하는 방법은, 압축을 위한 바람직한 나노입자를 수득하기 위하여 파라미터[예를 들면, 연삭 속도, 지속 기간 및/또는 온도(극저온 포함)]를 조절하는 것에 의해 수행될 수 있으나, 본원 명세서에서 상기 논의한 바와 같이 적용시킬 수 있다. 또한, 나노입자 크기의 이러한 조절은, 최종 열전 재료에서 원하는 그레인 크기(예를 들면, 1 마이크론 미만, 또는 1 마이크론 이상 내지 10 마이크론 이하)를 얻기 위하여 사용될 수 있다. 압축 방법은, 또한 본원 명세서에 논의된 바와 같이, 그리고, 당해 분야의 숙련가에 의해 적용되는 바와 같이, 적용시킬 수 있다.Generally, the type of starting material, the temperature at which the enhanced ZT is measured, the grain components, the forming method, and other characteristics and processes that may be associated with these aspects include all features and methods discussed in this application , Which are consistent with the grain size, precipitation zone and / or other inclusions described. For example, the grain may be formed from a suitable thermoelectric material, as discussed above, and may further comprise an n-type or p-type dopant. In another example, the formed thermoelectric material has a ZT value of at least about 1.0, at least about 1.5, at least about 2, or from about 1 to about 5. As another example, the thermoelectric material formed may have a ZT value (e.g., improved compared to the starting material) at an operating temperature of less than about 2000 占 폚, less than about 1000 占 폚, less than about 600 占 폚, less than about 200 占 폚, . As another example, the grain of the thermoelectric material may comprise at least one of a bismuth-based material (e.g., Bi 2 Te 3 and / or an associated alloy thereof), a silicon-based material, and a lead-based material. In connection with the fabrication of such thermoelectric materials, the method of forming nanoparticles from bulk starting materials or elemental materials can be performed by using parameters (e.g., grinding speed, duration, and / or temperature) to obtain the desired nanoparticles for compression Including cryogenic temperatures), but may be applied as discussed above in this disclosure. This adjustment of the nanoparticle size can also be used to obtain the desired grain size (e.g., less than 1 micron, or greater than 1 micron to less than 10 microns) in the final thermoelectric material. The compression method can also be applied as discussed herein and as applied by those skilled in the art.

본 출원의 다른 양태는 열전 재료의 제조 방법에 관한 것이다. 이러한 방법에서, 복수의 나노입자가 열전 재료로부터 생성된다. 나노입자는 압력하에 승온에서 압밀시켜 열전 재료를 형성할 수 있다. 나노입자를 생성하기 위하여 사용될 수 있는 열전 출발 물질의 유형은, 비제한적으로, 본원 명세서에 기술된 벌크 물질들 중의 어느 것 및 당해 분야의 숙련가에게 공지된 다른 것들을 포함한다. 따라서, 양태들은 ZT 값이 약 1 이상(예를 들면, 약 2000 ℃ 미만의 온도에서)인 열전 재료를 포함할 수 있다. 또한 또는 대안적으로, 상기 방법들은 n-도핑되거나 p-도핑된 출발 물질(예를 들면, 원소 및/또는 합금인 벌크 열전 물질)을 사용할 수 있다.Another aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a thermoelectric material. In this way, a plurality of nanoparticles are generated from the thermoelectric material. The nanoparticles can be consolidated under elevated pressure under pressure to form a thermoelectric material. Types of thermoelectric initiators that can be used to produce nanoparticles include, but are not limited to, any of the bulk materials described herein and others known to those skilled in the art. Accordingly, embodiments may include a thermoelectric material having a ZT value of at least about 1 (e.g., at a temperature of less than about 2000 C). Alternatively or alternatively, the methods can use n-doped or p-doped starting materials (e.g., bulk thermoelectric materials, which are elements and / or alloys).

열전 물질로부터 나노입자를 생성하기 위하여 다양한 기술이 사용될 수 있다. 일부 양태에 있어서, 나노입자는 열전 물질을 연삭함으로써 제조한다. 연삭은 밀, 예를 들면, 행성 운동, 피겨-에잇-유사 운동(figure-eight-like motion) 또는 다른 운동을 사용하는 볼 밀을 사용하여 수행할 수 있다. 나노입자를 생성시키는 경우에, 연삭 기술과 같은 일부 기술은 상당한 열을 발생시키며, 이러한 열은 나노입자 크기 및 특성에 영향을 줄 수 있다(예를 들면, 입자 응집을 일으킴). 따라서, 일부 양태에 있어서, 열전 물질을 연삭하는 동안 열전 물질의 냉각이 수행될 수 있다. 이러한 냉각은 열전 물질이 보다 파쇄되기 쉽게 할 수 있고, 나노입자의 생성을 용이하게 할 수 있다. 냉각 및 입자 생성은 습식 밀링 및/또는 크리오밀링(cryomilling)(예를 들면, 밀을 둘러싸는 드라이-아이스 또는 액체 질소의 존재하에)에 의해 성취할 수 있다. 본 발명의 양태들은 또한 나노입자를 형성하기 위한 다른 방법을 사용할 수 있다. 이러한 방법은 기체상 응축, 습식 화학법, 용융 물질의 고속 방사 및 다른 적절한 기술을 포함할 수 있다.Various techniques can be used to produce nanoparticles from thermoelectric materials. In some embodiments, nanoparticles are prepared by grinding thermoelectric materials. Grinding can be performed using a mill, for example, a ball mill using a planetary motion, a figure-eight-like motion, or other motion. When producing nanoparticles, some techniques, such as grinding techniques, generate significant heat, which can affect nanoparticle size and properties (e.g., causing particle agglomeration). Thus, in some embodiments, cooling of the thermoelectric material can be performed while grinding the thermoelectric material. This cooling can make the thermoelectric material more susceptible to fracture, and can facilitate the production of nanoparticles. Cooling and particle generation can be accomplished by wet milling and / or cryomilling (e.g., in the presence of dry-ice or liquid nitrogen surrounding the mill). Aspects of the present invention may also employ other methods for forming nanoparticles. Such methods may include gas phase condensation, wet chemical methods, high velocity radiation of molten material and other suitable techniques.

압력하 승온에서의 나노입자의 압밀은 다양한 조건하에 다양한 방식으로 수행할 수 있다. 스파크 플라즈마 소결로서도 공지된, 고온 프레스(본원 명세서에는 "P2C")와 같은 공정이 압밀 동안 원하는 압력 및 온도를 부과하기 위하여 사용될 수 있다. 본 공정에 대한 개시 및 본 공정을 수행하기 위한 장치는 본원 명세서에 전문이 참조로 인용된, 2004년 10월 29일자로 출원된 특허원 제10/977,363호의, 미국 특허공보 US 제2006/0102224호에서 입수할 수 있다.Consolidation of nanoparticles at elevated temperature under pressure can be performed in a variety of ways under a variety of conditions. A process such as a hot press (also referred to herein as "P 2 C"), also known as spark plasma sintering, can be used to impose the desired pressure and temperature during consolidation. Apparatus for carrying out the present process and for carrying out the present process is described in US patent application Ser. No. 10 / 977,363, filed October 29, 2004, which is incorporated herein by reference in its entirety, U.S. Patent No. 2006/0102224 ≪ / RTI >

사용되는 압력은 통상적으로 초대기압이며, 이는 나노입자의 압밀을 성취하기 위한 저온의 사용을 허용한다. 일반적으로, 사용되는 압력은 약 10 내지 약 900 ㎫의 범위일 수 있다. 일부 양태에 있어서, 압력은 약 40 내지 약 300 ㎫의 범위이다. 다른 양태에 있어서, 압력은 약 60 내지 약 200 ㎫의 범위이다.The pressure used is usually the superatmospheric pressure, which allows the use of low temperatures to achieve consolidation of the nanoparticles. Generally, the pressure used may range from about 10 to about 900 MPa. In some embodiments, the pressure ranges from about 40 to about 300 MPa. In other embodiments, the pressure ranges from about 60 to about 200 MPa.

상기한 승온과 관련하여, 일정 범위의 온도가 사용될 수 있다. 일반적으로, 온도는 통상적으로 약 200 ℃ 내지 대략 열전 재료의 융점 범위이다. 일부 예시적 양태로, 온도는 약 400 내지 약 2000 ℃, 약 400 내지 약 1200 ℃, 약 400 내지 약 600 ℃, 약 400 내지 약 550 ℃의 범위이다. 일부 예시적인 n-도핑된 물질의 경우에, 온도는 약 450 내지 약 550 ℃의 범위의 반면에, 일부 예시적인 p-도핑된 물질의 경우에는, 범위가 몇 도 더 높다(예를 들면, 약 475 내지 약 580 ℃). n형 물질 및 p형 물질의 가공과 관련하여 다른 온도 범위가 또한 사용될 수 있다. 이들 특별한 압력 및 온도 범위는, 이들이 BiSbTe 합금 및 BiSeTe 합금과 같은 물질에 바람직하게는 적용될 수 있기는 하지만, 어떠한 물질에 대해서라도 사용될 수 있다.Regarding the above-mentioned temperature rise, a certain range of temperatures can be used. In general, the temperature is typically in the range of about 200 캜 to about the melting point of the thermoelectric material. In some exemplary embodiments, the temperature ranges from about 400 to about 2000 ° C, from about 400 to about 1200 ° C, from about 400 to about 600 ° C, from about 400 to about 550 ° C. In the case of some exemplary n-doped materials, the temperature ranges from about 450 to about 550 DEG C, while for some exemplary p-doped materials, the range is some higher (e.g., about 475 DEG C to about 580 DEG C). Other temperature ranges may also be used in connection with the processing of n-type materials and p-type materials. These particular pressure and temperature ranges can be used for any material, although they can preferably be applied to materials such as BiSbTe alloys and BiSeTe alloys.

압력 및 온도는 나노입자의 압밀을 허용하기에 충분한 시간 동안 유지될 수 있다. 일부 양태에 있어서, 시간은 약 1초 내지 약 10시간의 범위이다.The pressure and temperature can be maintained for a time sufficient to allow consolidation of the nanoparticles. In some embodiments, the time ranges from about 1 second to about 10 hours.

본원에 기술된 열전 재료를 형성하기 위해 다른 압밀 조건이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 저온 압축을 성취하기 위해, 나노입자를 다른 입자에 고속으로 충돌시킬 수 있다. 열전 재료를 형성하기 위하여 후속 열처리를 임의로 사용할 수 있다. 다른 압밀 공정은, 입자를 압밀시키기 위하여, 압력을 거의 사용하지 않거나 전혀 사용하지 않고 입자(예를 들면, 나노입자)를 어닐링시키는 것을 이용할 수 있다. 이런 경우에, 온도는 어닐링 동안 샘플이 어떤 압력에서 유지되던지 간에 입자의 어닐링을 유도하도록 선택될 수 있다. 다른 경우에, 입자를 비교적 저온에서 고압에서 압밀시켜, 100% 이론 밀도에 근접하는 물질과 같은, 압밀 물질을 형성할 수 있다. 후속적으로, 압밀 물질을 승온에서 어닐링시켜 열전 재료를 형성할 수 있다. 따라서, 압밀 기술은 P2C 또는 고온 압축법으로 제한될 필요는 없다.Other consolidation conditions may be used to form the thermoelectric materials described herein. For example, nanoparticles can collide with other particles at high speed to achieve low temperature compression. A subsequent heat treatment may optionally be used to form the thermoelectric material. Other consolidation processes can use annealing of particles (e.g., nanoparticles) with little or no pressure to consolidate the particles. In this case, the temperature may be selected to induce annealing of the particles whatever the sample is held at at any pressure during annealing. In other cases, the particles can be consolidated at a relatively low temperature and a high pressure to form a consolidated material, such as a material close to 100% theoretical density. Subsequently, the thermoelectric material can be formed by annealing the consolidated material at an elevated temperature. Thus, the consolidation technique need not be limited to P 2 C or hot compression.

예시적 양태로서, 시판 물질들로부터의 다양한 물질로 이루어진 나노 분말은, 입자 크기가 1 ㎚ 정도로 작은 나노입자를 수득하기 위하여 고에너지 볼 밀링함으로써, 제조할 수 있다. 일부 경우에, 건식 밀링을 습식 밀링 및/또는 크리오밀링과 조합하여, 밀링된 입자가 밀링 동안 생성된 열로 인해 보다 큰 크기의 입자로 응집되는 것을 억제할 수 있다. 이러한 방식으로, 보다 더 분산된 입자가 수득될 수 있다. 이들 분말은 P2C 기술을 포함하는 고온 프레스에 의해 고체 샘플로 압축할 수 있다. 다수의 양태에 있어서, 이러한 방법으로 단 시간내에(통상적으로 샘플당 약 1 내지 약 10분) 이론치인 대략 100% 밀도가 성취될 수 있다. 이 방법에 의해 제조된 고온 압축된 샘플은, 벌크 대응물과 견줄만한 역률을 유지하면서도, 격자 열 전도도가 n형 및 p형 둘 다에서 본래 값의 극히 일부로 감소될 수 있으며, 이에 따라 ZT 값이 상당히 향상된다.In an exemplary embodiment, nanopowders made of various materials from commercially available materials can be produced by high energy ball milling to obtain nanoparticles having a particle size as small as 1 nm. In some cases, dry milling can be combined with wet milling and / or creo-milling to inhibit aggregated particles from agglomerating into larger sized particles due to heat generated during milling. In this way, more dispersed particles can be obtained. These powders can be compressed into solid samples by hot pressing, including P 2 C technology. In many embodiments, a theoretical approximately 100% density can be achieved in this manner within a short period of time (typically about 1 to about 10 minutes per sample). The hot compressed sample produced by this method can be reduced to a very small fraction of its original value in both n-type and p-type, while keeping the power factor comparable to bulk counterparts, Significantly improved.

예를 들면, BixSb2-xTe3(여기서, x는 약 0 내지 약 0.8의 범위일 수 있다)의 p형 시판 물질에 있어서, 상기 시판 물질은 약 1의 최고 ZT 값을 가지는 반면에, 볼 밀링 및 고온 압축 후에, 상기 시판 물질의 ZT 값은 1.4이거나 이 보다 더 높을 수 있다. 이러한 향상은 주로 샘플 중에 나노 구조물이 존재함으로 인한 감소된 열 전도도 때문이다. For example, for 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 After ball milling and high temperature compression, the ZT value of the commercially available material may be 1.4 or higher. This improvement is mainly due to the reduced thermal conductivity due to the presence of nanostructures in the sample.

일부 양태에 있어서, 열전 출발 물질을 나노입자로 전환(또는 다른 입자 생성법을 사용함)하여 이들 나노입자를 압축하기 보다는, 두 개 이상의 원소 물질(예를 들면, 원소 Bi 및 원소 Te)로부터 나노입자들을 생성(예를 들면, 연삭에 의해)시킨다. 그 다음에, 나노입자들을 혼합하고, 압력하에 승온에서(예를 들면, 상기 논의된 압력 및 온도) 압축하여, ZT 값이 약 1 이상, 바람직하게는 약 1.2 이상, 또는 약 1.5 이상, 또는 약 2 이상인 결과물인 열전 재료(예를 들면, 크기가 약 500 ㎚ 미만, 바람직하게는 약 1 내지 약 100 ㎚ 범위인 그레인을 갖는 다결정 구조를 갖는 열전 재료)를 생성시킬 수 있다.In some embodiments, rather than compressing the thermoelectric starting material into nanoparticles (or using other particle generation techniques) to compress the nanoparticles, the nanoparticles may be separated from two or more elemental materials (e.g., element Bi and element Te) (For example, by grinding). The nanoparticles are then mixed and compressed at elevated temperature (e.g., the pressure and temperature discussed above) under pressure to provide a ZT value of greater than or equal to about 1, preferably greater than or equal to about 1.2, or greater than or equal to about 1.5, (E.g., a thermoelectric material having a polycrystalline structure having a grain size of less than about 500 nm, and preferably in a range of about 1 to about 100 nm).

대안적인 양태로, 두 개 이상의 벌크 물질을 동시에 연삭하여 상이한 조성을 갖는 다양한 나노입자를 생성할 수 있다. 연삭 공정은 나노입자를 "기계적으로 합금"화시키기 위하여 사용될 수 있다. 기계적 합금화는 또한 두 개 이상의 상이한 입자를 별도로 생성시킨 다음, 이 입자들을 함께 혼합하고, 이들을 추가로 연삭함으로써 합금을 형성시키고, 이들 입자의 크기를 감소시켜 합금된 나노입자를 형성시켜 수행할 수도 있다. 이들 입자들은 본원에서 논의된 하나 이상의 특성을 갖는 열전 재료를 형성하기 위하여 압밀시킬 수 있다.In an alternative embodiment, two or more bulk materials can be simultaneously grinded to produce various nanoparticles having different compositions. The grinding process can be used to "mechanically alloy" the nanoparticles. Mechanical alloying may also be performed by separately producing two or more different particles, then mixing the particles together, grinding them further to form an alloy, and reducing the size of these particles to form alloyed nanoparticles . These particles may be consolidated to form thermoelectric materials having one or more of the properties discussed herein.

또 다른 양태로, 상이한 유형의 나노입자들을 본원에서 논의된 기술들 중 어느 하나[예: 벌크 원소 물질(예를 들면, 비스무트 또는 텔루륨)의 연삭]를 사용하여 별도로 생성한 다음, 함께 혼합하고 압밀시켜 열전 재료를 형성시킬 수 있다. 압밀 전에 상기 혼합물의 추가의 연삭을 임의로 적용시킬 수 있다 이들 공정 중 어느 하나에 의해 형성된 최종 압밀 물질은 본원에 기술된 조성 특성들 중 어느 하나, 예를 들면, Bi2Te3-xSex(여기서, x는 약 0 내지 약 0.8의 범위이다: 예를 들면, Bi2Te2.8Se0.2) 또는 BixSb2-xTe3(여기서, x는 약 0 내지 약 0.8의 범위이다: 예를 들면, Bi0.5Sb1.5Te3)을 가질 수 있다.In another embodiment, different types of nanoparticles are separately produced using any of the techniques discussed herein (e.g., grinding of bulk element materials (e.g., bismuth or tellurium)) and then mixed together And the thermoelectric material can be formed by consolidation. Any additional grinding of the mixture may be applied before consolidation. The final consolidated material formed by any of these processes may be any of the compositional characteristics described herein, for example, Bi 2 Te 3-x Se x ( Where x ranges from about 0 to about 0.8: Bi 2 Te 2.8 Se 0.2 ) or Bi x Sb 2-x Te 3 where x ranges from about 0 to about 0.8: for example, , Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 ).

열전 재료를 형성하는 것에 관한 다른 양태는 본원 명세서에서 논의된 바와 같이 열전 재료를 형성하기 위하여 사용되는 단계들의 1회 이상의 반복을 사용한다. 예를 들면, 하나 이상의 출발 물질(예를 들면, 벌크 열전 재료의 출발 물질 또는 원소 물질)로부터 입자들(예를 들면, 나노입자들)을 생성시키고, 물질 구조물로 되도록 압밀시킬 수 있다. 이후, 생성된 상기 구조물을, 새로운 복수의 입자를 생성하기 위하여(예를 들면, 물질 구조물의 연삭에 의해) 사용할 수 있고, 이러한 새로운 입자들을 후속적으로 압밀시켜 다른 물질 구조물을 형성시킬 수 있다. 이 공정은 최종 열전 재료를 형성하기 위하여 수차례 반복될 수 있다. 이러한 공정은 철저히 혼합된 작은 그레인 크기의 생성을 도울 수 있다.Other aspects of forming a thermoelectric material employ one or more iterations of the steps used to form the thermoelectric material as discussed herein. For example, particles (e. G., Nanoparticles) can be generated and consolidated into a material structure from one or more starting materials (e. G., Starting materials or elemental materials of bulk thermoelectric materials). The resulting structure can then be used to produce new multiple particles (e.g., by grinding the material structure), and these new particles can subsequently be consolidated to form other material structures. This process can be repeated several times to form the final thermoelectric material. Such a process can help in the production of a thoroughly mixed small grain size.

일부 양태에 있어서, 산화로부터 생성되는 입자(예를 들면, 볼 밀링 공정 동안)를 보호하는 것이 유리할 수 있다. 보호 기술의 비제한적인 예는 생성된 입자(예를 들면, 물질의 연삭이 일어나는 환경)를 비교적 진공과 같은 산소-고갈된 환경 또는 대기압에 비해 산소 함량이 낮은 환경에 노출시키는 것을 포함한다. 생성된 입자를 또한 어떤 형태의 화학적 피복물에 노출시켜 표면의 산소 노출을 감소시킬 수 있고; 상기 피복물은 열전 재료 제조 공정에서 나중에 임의로 제거할 수 있다. 따라서, 보호 스킴은 당해 분야의 숙련가에게 공지된 것을 포함하는, 다수의 적절한 기술을 포함할 수 있다.In some embodiments, it may be advantageous to protect the particles resulting from oxidation (e.g. during the ball milling process). A non-limiting example of a protective technique involves exposing generated particles (e.g., the environment in which the grinding of the material occurs) to an oxygen-depleted environment, such as a relatively vacuum, or an environment with low oxygen content relative to atmospheric pressure. The resulting particles may also be exposed to some form of chemical coating to reduce oxygen exposure of the surface; The coating can be optionally removed later in the thermoelectric material manufacturing process. Thus, the protection scheme may include a number of suitable techniques, including those known to those skilled in the art.

하기의 실시예 부분은 본 발명의 다양한 측면에 대한 추가 설명 및 향상된 열전 특성을 나타내는 열전 재료를 생성하기 위한 본 발명의 방법의 사용 가능성에 대한 설명을 제공한다. 그러나, 하기 실시예는 단지 예시 목적으로 제공되었으며, 본 발명의 방법을 실행함으로써 성취할 수 있는 최적의 결과를 나타내는 것은 아니다.The following Examples section provides a further explanation of various aspects of the invention and a description of the feasibility of the inventive method for producing thermoelectric materials exhibiting improved thermoelectric properties. However, the following examples are provided for illustrative purposes only and do not represent the best results achievable by practicing the methods of the present invention.

실시예 1: 나노 결정성 벌크 p형 BixSb2-xTe3 물질Example 1: Nanocrystalline bulk p-type Bi x Sb 2-x Te 3 material

시판 물질(p형 BiSbTe 합금 잉곳)을 분말화하고, 산화를 피하기 위하여 아르곤 대기하의 글로브 박스 내부에 있는 지르코니아 자(jar) 속으로 도입한다. 몇 개의 지르코니아 볼(5 내지 15 ㎜ 크기)도 가하고 밀봉한다. 밀봉된 자를 볼 밀 속에 넣고, 100 내지 2000 rpm의 속도로 총 약 0.5 내지 50시간 동안 밀링한다. 주사전자 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM) 및 x-선 회절(XRD)을 사용하여 분말의 특성을 확인한다.A commercially available material (p-type BiSbTe alloy ingot) is pulverized and introduced into a zirconia jar inside a glove box under an argon atmosphere to avoid oxidation. A few zirconia balls (5 to 15 mm in size) are also applied and sealed. The seal is placed in a ball mill and milled at a speed of 100 to 2000 rpm for a total time of about 0.5 to 50 hours. The characteristics of the powder are confirmed using a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM) and x-ray diffraction (XRD).

도 3은 볼 밀링후 나노 분말의 x-선 회절(XRD) 패턴을 나타낸다. XRD 패턴은 분말이 단일 상이고, Bi0.5Sb1.5Te3의 패턴과 잘 상응함을 입증한다. 확대된 회절 피크는 입자가 작음을 나타낸다. 이러한 작은 크기는 도 2A에 도시된 나노 분말의 주사전자 현미경(SEM) 영상 및 도 2B에 도시된 분말의 저배율 투과 전자 현미경(TEM) 영상에 의해 확인된다. 도 2B의 저해상도 TEM 영상은 나노입자들의 크기들 중의 소수가 약 50 ㎚에 달하고 평균 크기는 약 20 ㎚임을 확실히 보여준다. 도 2C에 도시된 고해상도 TEM 영상은 나노입자의 양호한 결정성 및 깨끗한 입자 표면을 확인시켜 주며, 이는 양호한 열전 특성을 위해 바람직하다. 도 2C의 삽화는 또한 일부 나노입자가 심지어 5 ㎚보다 더 작음을 나타낸다.Figure 3 shows the x-ray diffraction (XRD) pattern of the nano powder after ball milling. The XRD pattern demonstrates that the powder is single phase and corresponds well to the pattern of Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 . The enlarged diffraction peak indicates that the particles are small. This small size is confirmed by a scanning electron microscope (SEM) image of the nano powder shown in FIG. 2A and a low magnification transmission electron microscope (TEM) image of the powder shown in FIG. 2B. The low-resolution TEM image of FIG. 2B clearly shows that the number of nanoparticle sizes is about 50 nm and the average size is about 20 nm. The high resolution TEM image shown in Figure 2C identifies the good crystallinity and clean particle surface of the nanoparticles, which is desirable for good thermoelectric properties. The illustration of Figure 2C also indicates that some nanoparticles are even smaller than 5 nm.

분말이 수득되면, 분말 샘플을, 나노 분말을 1/2" 직경의 다이에 도입하여 고온 압축함으로써 직경이 1/2"이고 두께가 2 내지 12 ㎜인 벌크 디스크 샘플로 되도록, 가공한다. 밀링 후 분말(산화를 방지하기 위하여 글로브 박스의 내부에 저장됨)을 흑연 다이로 도입하고 DC 고온 프레스 기술을 사용하여 펠릿으로 되도록 압축시킨다(참조: 도 4). 고온 압축 조건에 대한 파라미터는 40 내지 160 ㎫ 및 450 내지 600 ℃이다. 밀도는 모든 조성물의 이론치의 100%에 근접한다. DC 및 AC 방법 둘 다를 사용하는 전기 전도도 및 열 전도도와 제벡 계수의 측정을 위하여, 상기 압축된 디스크로부터 직경이 1/2"이고 두께가 2 ㎜인 디스크 및 약 2 x 2 x 12 ㎣인 바아를 절단하고 연마한다.Once a powder is obtained, the powder sample is processed such that the nano powder is introduced into a 1/2 "diameter die and hot pressed to a bulk disk sample having a diameter of 1/2" and a thickness of 2-12 mm. After milling, the powder (stored inside the glove box to prevent oxidation) is introduced into the graphite die and compressed into pellets using a DC hot press technique (see FIG. 4). The parameters for high temperature compression conditions are 40 to 160 MPa and 450 to 600 deg. The density is close to 100% of the theoretical value of all compositions. For measurement of electrical conductivity and thermal conductivity and Seebeck coefficient using both DC and AC methods, a disk with a diameter of 1/2 "and a thickness of 2 mm and a bar of about 2 x 2 x 12" Cut and polish.

통상, 고온 압축된 샘플의 제조시, 분말을 소정의 압력에 노출시키고, 장치를 설정된 가열 속도로 활성화시킨다. 소정의 승온에 이르면, 샘플을 약 0 내지 약 60분, 바람직하게는 약 0 내지 약 30분, 약 0 내지 약 10분, 또는 약 0 내지 5분 미만(예를 들면, 2분 동안) 동안 상기 온도 및 압력에서 유지시킨다. 그 다음에, 냉각을 개시한다. 그러나, 상기 압력은 샘플이 승온에 도달하는 동안 또는 승온에 도달한 후에 부과할 수 있음을 이해해야 한다.Typically, in the production of a hot compressed sample, the powder is exposed to a predetermined pressure and the apparatus is activated at the set heating rate. Upon reaching the predetermined elevated temperature, the sample is heated for a period of about 0 to about 60 minutes, preferably about 0 to about 30 minutes, about 0 to about 10 minutes, or less than about 0 to 5 minutes (e.g., for 2 minutes) Temperature and pressure. Then, cooling is started. However, it should be appreciated that the pressure may be imposed while the sample reaches the elevated temperature or after the elevated temperature has been reached.

도 5 내지 9는 고온 압축된 나노 결정성 물질(도면에서 BP0572로 나타냄) 및 시판 물질(도면에서 시판 잉곳으로 나타냄) p형 BiSbTe 합금 잉곳의 다양한 특성의 온도 의존성을 비교한 것이다. 도 5 내지 9에서 모든 특성은 동일한 샘플로부터 측정한 것이다. 실리더형 두께의 디스크를 고온 압축시키고, 압축 방향을 따라 그리고 압축 방향에 대해 수직으로 절단한 다음, 측정한다. 나노 결정성 벌크 샘플의 온도 안정성을 시험하기 위하여, 동일한 샘플을 250 ℃에 이를 때까지 반복하여 측정한다. 실질적인 특성 저하는 관찰되지 않는다.Figures 5 to 9 compare the temperature dependence of various properties of a high temperature compacted nanocrystalline material (represented by BP0572 in the figure) and a commercially available material (represented by a commercial ingot in the figure) p-type BiSbTe alloy ingot. In Figures 5 to 9 all properties are measured from the same sample. The discs of cylinder-type thickness are compressed at high temperature, cut along the compression direction and perpendicular to the compression direction, and then measured. To test the temperature stability of the nanocrystalline bulk sample, the same sample is repeatedly measured to 250 캜. No substantial degradation of properties is observed.

도 5는 나노 결정성 샘플 및 시판 샘플의 전기 전도도의 온도 의존성을 비교한 것이다. 전기 전도도는 4점 전류-스위칭 기술에 의해 측정한다. 나노 결정성 벌크 샘플의 전기 전도도는 시판 잉곳의 전기 전도도보다 다소 높다.Figure 5 compares the temperature dependence of the electrical conductivity of nanocrystalline samples and commercial samples. Electrical conductivity is measured by a 4-point current-switching technique. The electrical conductivity of the nanocrystalline bulk sample is somewhat higher than the electrical conductivity of the commercial ingot.

도 6은 나노 결정성 샘플 및 시판 샘플의 제벡 계수의 온도 의존성을 비교한 것인 한편, 도 7은 샘플의 역률(S2σ)의 온도 의존성을 비교한 것이다. 제벡 계수는, 디스크 면을 따라 절단된 단면적의 치수가 2 x 2 ㎟이고 길이가 12 ㎜인 동일한 바아형태 샘플에 대해 시판 장치(ZEM-3, Ulvac, Inc.)를 사용하여 전압 대 온도차 곡선의 기울기에 기초하는 정전 DC 방법으로 측정한다. 이들 특성은 또한 동일한 샘플에 대해 홈-메이드 시스템에 대해 측정한다. 두 셋트의 측정치는 서로 5% 이내에 존재한다. 나노 결정성 샘플의 제벡 계수는 온도에 좌우되는 잉곳의 제벡 계수보다 다소 낮거나 높으며, 이는 나노 결정성 샘플의 역률이 75 ℃ 미만에서는 시판 잉곳의 역률에 견줄만하게 되도록 하고 또한 나노 결정성 샘플의 역률이 75 ℃ 이상에서는 시판 잉곳의 역률보다 더 높아지도록 한다.FIG. 6 compares the temperature dependence of the Jecke coefficient of the nanocrystalline sample and the commercial sample, while FIG. 7 compares the temperature dependence of the power factor (S 2 ) of the sample. The Zebeck coefficients were calculated using a commercially available device (ZEM-3, Ulvac, Inc.) for the same bar-shaped sample with a cross-sectional area of 2 x 2 mm 2 and a length of 12 mm cut along the disk surface It is measured by the electrostatic DC method based on the slope. These properties are also measured for the homomade system for the same sample. The two sets of measurements are within 5% of each other. The Seebeck coefficient of the nanocrystalline sample is somewhat lower or higher than that of the temperature-dependent ingot, which allows the power factor of the nanocrystalline sample to be comparable to the power factor of the commercial ingot below 75 ° C, Is higher than the power factor of the commercial ingot at a temperature higher than 75 캜.

도 8은 나노 결정성 샘플 및 시판 샘플의 열 전도도의 온도 의존성을 도시한 것이다. 열 전도도는 샘플의 열 확산도 및 열 용량의 측정으로부터 유도된다. 열 확산도는 시판 시스템(Netzsch Instruments, Inc.)을 사용하여 디스크 축 방향을 따라 디스크 상에서 레이저-플래시 방법으로 측정한다. 레이저-플래시 측정 후, 상기 디스크로부터 바아들을 절단하고, 이들의 열 확산도를 홈-빌트 시스템에서 옹스트롬 방법을 사용하여 바아(디스크-면) 방향을 따라 측정한다. 바아 및 디스크의 열 확산도 값은 5% 이내에서 일치한다.8 shows the temperature dependence of the thermal conductivity of the nanocrystalline sample and the commercially available sample. The thermal conductivity is derived from the measurement of the thermal diffusivity and heat capacity of the sample. The thermal diffusivity is measured by a laser-flash method on the disk along the disk axis direction using a commercially available system (Netzsch Instruments, Inc.). After the laser-flash measurement, the bars are cut from the disk and their thermal diffusivity is measured along the bar (disk-face) direction using the Angstrom method in a home-built system. The thermal diffusivity values of the bars and disks are within 5%.

도 9는 성능 지수 ZT의 변화를 나노 결정성 샘플 및 시판 샘플의 온도의 함수로서 기록한 것이다. 나노 결정성 벌크 샘플의 열 전도도가 시판 잉곳의 열 전도도보다 상당히 낮고, 보다 중요하게는 온도가 증가됨에 따라 차이가 더 증가되기 때문에, 이것은 20 내지 250 ℃의 온도 범위에서 상당히 향상된 ZT를 유도한다. 도 9는 또한 피크 ZT 값이 보다 고온(100 ℃)으로 이동함을 보여준다. 나노 결정성 벌크 샘플의 피크 ZT는 100 ℃에서 약 1.4이며, 이는 시판 Bi2Te3계 합금의 피크 ZT보다 상당히 더 높다. 시판 잉곳의 ZT 값은 75 ℃ 이상의 온도에서 저하되기 시작하여, 250 ℃에서 0.25 미만으로 하락한다. 비교하면, 나노 결정성 벌크 샘플은 250 ℃에서 0.8보다 높은 ZT를 나타낸다. 이러한 ZT 특성은 발전 용도로 훨씬 더 바람직하며, 그 이유는 상기 온도 범위에서 높은 ZT를 갖는 우수한 재료를 현재로서는 입수할 수 없기 때문이다.Figure 9 shows the change in the figure of merit ZT as a function of the temperature of the nanocrystalline sample and the commercial sample. This leads to a significantly improved ZT in the temperature range of 20 to 250 DEG C, because the thermal conductivity of the nanocrystalline bulk sample is significantly lower than the thermal conductivity of the commercial ingot and, more importantly, the difference is further increased as the temperature is increased. Figure 9 also shows that the peak ZT value shifts to a higher temperature (100 占 폚). The peak ZT of the nanocrystalline bulk sample is about 1.4 at 100 캜, which is significantly higher than the peak ZT of the commercial Bi 2 Te 3 -based alloy. The ZT value of the commercial ingot starts to drop at a temperature of 75 캜 or higher, and falls to 0.25 or less at 250 캜. By comparison, the nanocrystalline bulk sample exhibits a ZT higher than 0.8 at 250 ° C. Such ZT characteristics are much more desirable for power generation applications because no superior materials with high ZT in the temperature range can be obtained at this time.

투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 나노 결정성 벌크 샘플에 대해 상세한 마이크로 구조 검사를 수행한다. 상기 벌크 나노 결정성 샘플을 절단, 연마 및 이온 밀링하여 TEM 시편을 제조한다. 고온 압축된 나노 결정성 벌크 펠릿을 2x3x1 ㎜의 블록으로 되도록 절단하고, 기계적 트리포드 연마기를 사용하여 2x3x0.002 mm로 되도록 연삭한다. 샘플을 구리 그리드에 아교로 붙이고, 프리시젼 이온 폴리싱 시스템(Precision Ion Polishing System; Gatan Inc.)을 사용하여 3.5°의 입사각에서 3.2 ㎸의 입사 에너지 및 15 ㎂의 비임 전류로 30분 동안 밀링한다. 도 10 내지 15는 대표적인 TEM 마이크로그래프를 나타내며, 이는 관찰된 주요 구조 특징을 나타낸다.A detailed microstructure test is performed on the nanocrystalline bulk sample using a transmission electron microscope (TEM). A TEM specimen is prepared by cutting, polishing and ion milling the bulk nanocrystalline sample. The hot compressed nanocrystalline bulk pellets are cut into 2x3x1 mm blocks and ground to 2x3x0.002 mm using a mechanical tripod grinder. The sample is glued to the copper grid and milled 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 ° using a Precision Ion Polishing System (Gatan Inc.). Figures 10 to 15 represent representative TEM micrographs, which show the major structural features observed.

일반적으로, 도 10 및 11에 도시된 바와 같이, 대부분의 그레인은 나노 크기이다. 더욱이, 나노 그레인은 상당히 결정성이고, 매우 명확한 경계를 가지면서 랜덤하게 배향되어 있다(격자면들 사이의 큰 각도). 도 11에 도시된 바와 같이, 나노 그레인은 친밀하게 팩킹될 수 있고, 완전 치밀한 샘플을 시사하는 밀도 측정치와 일치한다. 또한 도 12에 도시된 바와 같이 더 큰 입자가 존재한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 고해상도 TEM 현미 기술은 이들 그레인이 경계가 없는 크기가 2 내지 10 ㎚인 나노 도트들로 구성됨을 보여준다. 이들 나노 도트는 통상적으로 Bi:Sb:Te = 8:44:48에 근접하는 예시적 조성을 갖는 Sb-풍부 상태이며, Sb가 Te를 치환한다. 일부 나노 도트는 도 13에 도시된 바와 같이 매트릭스와 경계가 없으나, 관찰된 다른 나노 도트는 도 14에 도시된 바와 같이 매트릭스와 작은 각의 경계를 포함한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 5 내지 30 ㎚ 범위의 크기인 순수한 Te 침전물이 또한 관찰된다. 도 15의 삽화에 도시된 선택된-면적 전자 회절 패턴은 Te 상을 확인시켜 준다. 일반적으로 말하자면, 각각 50 ㎚ 직경의 면적내에서 나노 도트가 발견될 수 있다.Generally, as shown in Figures 10 and 11, most of the grains are nanoscale. Moreover, the nanograms are highly crystalline and are randomly oriented (with a large angle between the lattice planes) with very clear boundaries. As shown in Figure 11, the nanograms can be intimately packed and correspond to a density measurement that suggests a fully dense sample. There are also larger particles as shown in Fig. As shown in Fig. 13, the high resolution TEM brown rice technique shows that these grains are composed of nano dots of 2 to 10 nm in size without boundaries. These nanodots are typically in the Sb-rich state with an exemplary composition approaching Bi: Sb: Te = 8:44:48 and Sb displaces Te. Some nano dots have no boundary with the matrix as shown in Fig. 13, but other nano dots observed include a matrix and a small angle boundary as shown in Fig. As shown in Fig. 15, a pure Te precipitate having a size in the range of 5 to 30 nm is also observed. The selected-area electron diffraction pattern shown in the illustration of FIG. 15 identifies the Te phase. Generally speaking, nano dots can be found within an area of 50 nm diameter each.

특별한 이론과 반드시 결부시키고자 하는 것은 아니나, 이들 나노 도트는 고온-프레스 가열 및 냉각 공정 동안 형성될 수 있는 것으로 추정될 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 나노 도트를 함유하는 크기가 더 큰 그레인은 볼 밀링 동안 잉곳의 불균일한 밀링을 야기할 수 있다. 이들 큰 그레인은 오스발트 리프닝(Oswald Ripening: 입자 조대화)을 통해 고온-프레스 압축 동안 훨씬 더 크게 성장할 수 있다. 본 발명의 재료에서 나노 계면 형상(feature)(예를 들면, 나노 그레인)의 큰 개체군(population)이 있다면, 나노 도트가 강한 포논 산란에 대한 유일한 이유일 수 없다.While not wishing to be bound by any particular theory, it is believed that these nanodots can be formed during the hot-press heating and cooling process. As shown in Fig. 12, larger grain containing nano-dots can cause non-uniform milling of the ingot during ball milling. These large grains can grow much larger during hot-press compression through Oswald Ripening. If there is a large population of nano interface features (e.g., nanograms) in the materials of the present invention, nanodots can not be the only reason for strong phonon scattering.

실시예Example 2: 나노 결정성  2: nanocrystalline SiGeSiGe 물질 matter

p형 및 n형 둘 다인, 규소 원소 물질 및 게르마늄 원소 물질이 출발 물질로서 사용되며, 크기가 약 1 내지 약 200 ㎚인 나노입자를 형성하기 위하여 볼 밀을 사용하여 밀링한다. 이들 원소 물질은 일부 경우에 ZT가 약 0.01보다 낮을 수 있다. 입자를 형성하기 위하여 SiGe 합금이 사용됨으로써, 아마도 최종적으로 제조된 물질에서 추가의 개선을 유도할 수 있음 또한 이해된다. 샘플을 약 40 내지 약 200 ㎫의 압력 및 약 900 내지 1300 ℃의 온도에서 고온 압축시켜 열전 재료 샘플을 형성시킨다.Silicon element materials and germanium element materials, both p-type and n-type, are used as starting materials and are milled using a ball mill to form nanoparticles of about 1 to about 200 nm in size. These elemental materials may in some cases have a ZT of less than about 0.01. It is also understood that SiGe alloys may be used to form the particles, possibly leading to further improvement in the final fabricated material. The sample is hot pressed at a pressure of about 40 to about 200 MPa and at a temperature of about 900 to 1300 DEG C to form a thermoelectric material sample.

도 16 내지 19는 p형 SiGe 볼 밀링된 벌크 물질로부터 형성된 고온 압축된 나노 결정성 물질의 다양한 특성들의 온도 의존성을 나타내는 그래프를 도시한 것이다. 특성들은 도 5 내지 9에 대해 앞서 기술한 것과 동일한 기술을 사용하여 측정한다. 도 16은 나노 결정성 p형 SiGe 샘플의 전기 전도도의 온도 의존성을 도시한 것이다. 도 17은 나노 결정성 p형 SiGe 샘플의 제벡 계수의 온도 의존성을 도시한 것이다. 도 18은 p형 SiGe 샘플에 대한 열 전도도의 온도 의존성을 도시한 것이다. 도 19는 나노 결정성 p형 SiGe 샘플의 성능 지수 ZT의 변화를 온도의 함수로서 기록한 것이다. Figures 16-19 show graphs depicting the temperature dependence of the various properties of the hot pressed nanocrystalline material formed from a p-type SiGe ball milled bulk material. The characteristics are measured using the same technique as described above for Figs. 5-9. Figure 16 shows the temperature dependence of the electrical conductivity of a nanocrystalline p-type SiGe sample. 17 shows the temperature dependence of the Seebeck coefficient of a nanocrystalline p-type SiGe sample. Figure 18 shows the temperature dependence of thermal conductivity for a p-type SiGe sample. 19 shows the change in the figure of merit ZT of a nanocrystalline p-type SiGe sample as a function of temperature.

도 20 내지 23은 n형 SiGe 볼 밀링된 벌크 물질로부터 형성된 고온 압축된 나노 결정성 물질의 다양한 특성들의 온도 의존성을 나타내는 그래프를 도시한 것이다. 도 20은 나노 결정성 n형 SiGe 샘플의 전기 전도도의 온도 의존성을 도시한 것이다. 도 17은 나노 결정성 n형 SiGe 샘플의 제벡 계수의 온도 의존성을 도시한 것이다. 도 18은 n형 SiGe 샘플에 대한 열 전도도의 온도 의존성을 도시한 것이다. 도 19는 나노 결정성 n형 SiGe 샘플의 성능 지수 ZT의 변화를 온도의 함수로서 기록한 것이다. Figures 20-23 show graphs depicting the temperature dependence of the various properties of the hot pressed nanocrystalline material formed from an n-type SiGe ball milled bulk material. 20 shows the temperature dependence of the electrical conductivity of the nanocrystalline n-type SiGe sample. 17 shows the temperature dependence of the Seebeck coefficient of a nanocrystalline n-type SiGe sample. Figure 18 shows the temperature dependence of the thermal conductivity for an n-type SiGe sample. Figure 19 shows the change in the figure of merit ZT of a nanocrystalline n-type SiGe sample as a function of temperature.

도 24 내지 26은 나노 결정성 물질과 관련된 p형 SiGe 물질의 TEM 마이크로그래프를 도시한 것이다. 도 24는 SiGe 벌크 물질의 볼 밀링된 분말 샘플의 TEM 마이크로그래프를 도시한 것으로, 밀링된 미립자의 나노 크기 미립자를 나타낸다. 도 25는 고온 압축 후 SiGe 분말 샘플의 TEM 마이크로그래프를 도시한 것이다. 마이크로그래프는, 고온 압축된 물질의 치밀하게 팩킹된 나노 크기 범위의 복수의 그레인을 보여준다. 도 25의 삽화는 샘플에 대해 취한 선택된-면적 전자 회절 패턴을 나타낸다. 도 26은 고온 압축된 SiGe 샘플의 고해상도 TEM을 도시한 것으로, 샘플의 복수의 그레인의 나노 크기도 보여주며, 이는 포논 산란을 위해 설정된 복수의 그레인 경계를 나타내는 것이다.Figures 24-26 illustrate TEM micrographs of p-type SiGe materials associated with nanocrystalline materials. Figure 24 shows a TEM micrograph of a ball milled powder sample of a SiGe bulk material, showing nanosized microparticles of milled microparticles. 25 shows a TEM micrograph of a SiGe powder sample after hot compression. The micrograph shows a plurality of grains in the tightly packed nanoscale range of the hot compressed material. The illustration of Figure 25 shows the selected-area electron diffraction pattern taken for the sample. Figure 26 shows a high-resolution TEM of a hot compressed SiGe sample showing the nano-size of a plurality of grains of a sample, which represents a plurality of grain boundaries set for phonon scattering.

실시예 3: 나노 결정성 p형 BiSbTe 물질의 온도 맞춤변경(tailoring)Example 3: Temperature tailoring of nanocrystalline p-type BiSbTe materials [

성능 지수 ZT를 다양한 온도 조건에 대해 어떻게 맞춤변경할 수 있는 지를 설명하기 위하여, 나노 결정성 p형 BiSbTe 합금 물질의 샘플을 제조하였다. 특히, BixSb2-xTe3 유형의 물질을, 소정의 x값에 좌우되는 다양한 화학양론으로 제조할 수 있다. 샘플의 두 개의 특별한 예시 유형을 제조한다: Bi0.3Sb1.7Te3의 화학양론을 갖는 p형 나노 결정성, 고온 압축된 물질, 및 Bi0.5Sb1.5Te3의 화학양론을 갖는 p형 나노 결정성, 고온 압축된 물질. 적절한 벌크 출발 물질을 볼 밀에 의해 연삭하여 나노입자 샘플을 형성시킨다. 샘플은 40 내지 160 ㎫ 및 450 내지 600 ℃에서 약 5분 이하 동안 압축시킨다.To illustrate how the performance index ZT can be customized for various temperature conditions, a sample of nanocrystalline p-type BiSbTe alloy material was prepared. In particular, materials of the type Bi x Sb 2-x Te 3 can be prepared with a variety of stoichiometries, depending on the desired x value. Two special illustrative types of samples are prepared: a p-type nanocrystalline, high temperature compacted material with a stoichiometry of Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 , and a p-type nanocrystalline material with a stoichiometry of Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 , High temperature compressed material. A suitable bulk starting material is ground with a ball mill to form a nanoparticle sample. The sample is compressed at 40 to 160 MPa and at 450 to 600 DEG C for about 5 minutes or less.

도 27 내지 30은 나노 결정성 Bi0.3Sb1.7Te3 샘플에 대한 전기 전도도, 제벡 계수, 열 전도도 및 ZT의 온도 의존성을 각각 도시한 것인 한편, 도 31 내지 34는 Bi0.5Sb1.5Te3 샘플에 대한 전기 전도도, 제벡 계수, 열 전도도 및 ZT의 온도 의존성을 각각 도시한 것이다. 측정은 실시예 1에 기술된 바와 같이 수행했다. 도 30 및 34으로부터 알 수 있는 바와 같이, Bi0.3Sb1.7Te3 샘플에 대한 피크 ZT 값은 약 150 ℃에서 측정된 반면에, Bi0.5Sb1.5Te3 샘플에 대한 피크 ZT 값은 약 75 ℃에서 측정되었다.27 to 30 show the electrical conductivity, the Seebeck coefficient, the thermal conductivity and the temperature dependence of the ZT for the nanocrystalline Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 sample, respectively, while FIGS. 31 to 34 show the Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 sample The heat conductivity, and the temperature dependency of ZT, respectively. The measurement was carried out as described in Example 1. 30 and 34, the peak ZT values for the Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 sample were measured at about 150 ° C, while the peak ZT values for the Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 sample were measured at about 75 ° C Respectively.

따라서, 상기 결과들은 나노 결정성 물질의 피크 ZT가 특별한 온도 범위 적용을 위해 맞춤변경될 수 있음을 나타낸다. 예를 들면, 저온 피크 물질은 냉각과 같이, 실온 사용에 보다 근접하도록 조정되는 적용에 사용될 수 있는 반면에, 고온 피크 물질은 발전과 같은 고온을 위한 적용에 사용될 수 있다.Thus, the results indicate that the peak ZT of the nanocrystalline material can be tailored for special temperature range applications. For example, low temperature peak materials can be used in applications that are adjusted to be closer to room temperature use, such as cooling, while high temperature peak materials can be used for applications such as power generation.

상기 실험 결과들과 함께, 본원 명세서에 논의된 다양한 양태는 본 발명의 범위의 단지 대표적인 다양한 방법 및 물질을 개시하고 있음을 이해해야 한다. 실제로, 당해 분야의 숙련가는 본원 명세서에 기술된 방법 및 물질에 대한 많은 다른 변형이 이루어질 수 있음을 용이하게 인지할 것이다. 이러한 모든 변형은 본 발명의 범위내에 또한 속하는 관련 양태를 나타낸다. 또한, 명세서 및 청구의 범위에 사용된 성분의 양 및 반응 조건 등을 나타내는 모든 수치는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 변하는 것으로 이해해야 한다. 따라서, 달리 제시되지 않는 한, 본원 명세서 및 첨부된 청구의 범위에 도시된 수치 파라미터는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다.It should be understood that the various aspects discussed herein, along with the above experimental results, disclose only a representative variety of methods and materials within the scope of the present invention. Indeed, those skilled in the art will readily appreciate that many other modifications to the methods and materials described herein may be made. All such modifications represent related aspects which also fall within the scope of the present invention. It is also to be understood that all numerical values expressing quantities of ingredients and reaction conditions, etc. used in the specification and claims are to be understood to be changed by the term "about" in all cases. Accordingly, unless otherwise indicated, numerical parameters set forth in this specification and the appended claims are approximations that may vary depending on the desired properties.

Claims (108)

반도체 합금 열전 재료의 제조방법으로서, A method of manufacturing a semiconductor alloy thermoelectric material, 상기 제조방법이 2종 이상의 상이한 원소 분말을 제공하는 단계; 상기 2종 이상의 상이한 원소 분말을 기계적으로 합금화시켜 반도체 합금 나노입자를 포함하는 반도체 합금 분말을 형성시키는 단계; 및 상기 반도체 합금 분말을 압력하에 승온에서 압축시켜 반도체 합금 열전 재료를 형성시키는 단계를 포함하고, The method comprising: providing two or more different elemental powders; Mechanically alloying the at least two different elemental powders to form a semiconductor alloy powder comprising semiconductor alloy nanoparticles; And compressing the semiconductor alloy powder at an elevated temperature under pressure to form a semiconductor alloy thermoelectric material, 상기 반도체 합금 열전 재료가 실온 내지 2000 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1 이상의 무차원 성능 지수(ZT) 값을 갖고,Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material has one or more dimensionless figure of merit (ZT) values at one or more temperatures in the range of room temperature to 2000 < 0 > C, 상기 반도체 합금 열전 재료가 5000 nm 미만의 평균 그레인 크기를 갖는 랜덤하게 배향된 그레인을 포함하고, 상기 그레인 중의 적어도 일부가 1 내지 100 nm의 평균 크기를 갖는 하나 이상의 침전 영역을 포함하는, 반도체 합금 열전 재료의 제조방법.Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material comprises randomly oriented grains having an average grain size of less than 5000 nm and at least a portion of the grains comprises at least one precipitation region having an average size of 1 to 100 nm. ≪ / RTI > 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 기계적으로 합금화하는 단계가 상기 2종 이상의 상이한 원소 분말을 밀링함을 포함하고;Wherein the mechanically alloying comprises milling the at least two different elemental powders; 상기 반도체 합금 나노입자의 평균 크기가 1 내지 200 nm이고;The average size of the semiconductor alloy nanoparticles is 1 to 200 nm; 상기 압축 단계 동안에 상기 반도체 합금 분말을 통해 전류가 통과하며;A current passes through the semiconductor alloy powder during the compressing step; 상기 반도체 합금 열전 재료가 실온 내지 2000 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1 내지 3의 ZT 값을 갖는, 반도체 합금 열전 재료의 제조방법.Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material has a ZT value of from 1 to 3 at one or more temperatures ranging from room temperature to 2000 < 0 > C. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 반도체 합금 열전 재료가 비스무트 텔루라이드계 물질 또는 비스무트 안티몬 텔루라이드계 물질을 포함하고;Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material comprises a bismuth telluride based material or a bismuth antimony telluride based material; 상기 반도체 합금 열전 재료가 실온 내지 300 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1.2 이상의 ZT 값을 가지며;Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material has a ZT value of at least 1.2 at one or more temperatures in the range of room temperature to 300 캜; 상기 2종 이상의 상이한 원소 분말을 제공하는 단계가, 적어도 비스무트 원소 분말 및 텔루륨 원소 분말을 제공하거나, 적어도 비스무트 원소 분말, 안티몬 원소 분말 및 텔루륨 원소 분말을 제공함을 포함하는, 반도체 합금 열전 재료의 제조방법.Wherein providing the at least two different elemental powders comprises providing at least bismuth elemental and tellurium elemental powders or providing at least bismuth elemental, antimonic elemental, and tellurium elemental powders. Gt; 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 반도체 합금 열전 재료가 규소 게르마늄계 물질을 포함하고;Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material comprises a silicon germanium-based material; 상기 반도체 합금 열전 재료가 400 내지 1200 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1.2 이상의 ZT 값을 가지며;Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material has a ZT value of at least 1.2 at one or more temperatures in the range of 400 to 1200 占 폚; 상기 2종 이상의 상이한 원소 분말을 제공하는 단계가, 적어도 규소 원소 분말 및 게르마늄 원소 분말을 제공함을 포함하는, 반도체 합금 열전 재료의 제조방법.Wherein providing the at least two different element powders comprises providing at least a silicon element powder and a germanium element powder. 반도체 합금 열전 재료의 제조방법으로서, A method of manufacturing a semiconductor alloy thermoelectric material, 상기 제조방법이 원소 나노입자를 각각 포함하는 2종 이상의 상이한 원소 분말의 혼합물을 제공하는 단계; 및 상기 혼합물을 압력하에 승온에서 압축시켜 상기 원소 분말들을 합금화시켜 반도체 합금 열전 재료를 형성시키는 단계를 포함하고, Providing a mixture of two or more different elemental powders each comprising the elemental nanoparticles; And compressing the mixture under elevated pressure under pressure to alloy the elemental powders to form a semiconductor alloy thermoelectric material, 상기 반도체 합금 열전 재료가 실온 내지 2000 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1 이상의 무차원 성능 지수(ZT) 값을 갖고,Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material has one or more dimensionless figure of merit (ZT) values at one or more temperatures in the range of room temperature to 2000 < 0 > C, 상기 반도체 합금 열전 재료가 5000 nm 미만의 평균 그레인 크기를 갖는 랜덤하게 배향된 그레인을 포함하고, 상기 그레인 중의 적어도 일부가 1 내지 100 nm의 평균 크기를 갖는 하나 이상의 침전 영역을 포함하는, 반도체 합금 열전 재료의 제조방법.Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material comprises randomly oriented grains having an average grain size of less than 5000 nm and at least a portion of the grains comprises at least one precipitation region having an average size of 1 to 100 nm. ≪ / RTI > 제5항에 있어서, 6. The method of claim 5, 상기 원소 나노입자의 평균 크기가 1 내지 200 nm이고;The average size of the element nano-particles is 1 to 200 nm; 상기 압축 단계 동안에 상기 혼합물을 통해 전류가 통과하며;Current passes through the mixture during the compression step; 상기 반도체 합금 열전 재료가 실온 내지 2000 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1 내지 3의 ZT 값을 갖는, 반도체 합금 열전 재료의 제조방법.Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material has a ZT value of from 1 to 3 at one or more temperatures ranging from room temperature to 2000 < 0 > C. 제5항에 있어서,6. The method of claim 5, 상기 반도체 합금 열전 재료가 비스무트 텔루라이드계 물질 또는 비스무트 안티몬 텔루라이드계 물질을 포함하고;Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material comprises a bismuth telluride based material or a bismuth antimony telluride based material; 상기 반도체 합금 열전 재료가 실온 내지 300 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1.2 이상의 ZT 값을 가지며;Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material has a ZT value of at least 1.2 at one or more temperatures in the range of room temperature to 300 캜; 상기 2종 이상의 상이한 원소 분말의 혼합물을 제공하는 단계가, 적어도 비스무트 원소 분말 및 텔루륨 원소 분말로 이루어지는 혼합물을 제공하거나, 적어도 비스무트 원소 분말, 안티몬 원소 분말 및 텔루륨 원소 분말로 이루어지는 혼합물을 제공함을 포함하는, 반도체 합금 열전 재료의 제조방법.Wherein providing the mixture of two or more different elemental powders comprises providing a mixture comprising at least a bismuth elemental powder and a tellurium elemental powder or a mixture comprising at least a bismuth elemental powder, an antimony elemental powder and a tellurium elemental powder ≪ / RTI > 제5항에 있어서, 6. The method of claim 5, 상기 반도체 합금 열전 재료가 규소 게르마늄계 물질을 포함하고;Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material comprises a silicon germanium-based material; 상기 반도체 합금 열전 재료가 400 내지 1200 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1.2 이상의 ZT 값을 가지며;Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material has a ZT value of at least 1.2 at one or more temperatures in the range of 400 to 1200 占 폚; 상기 2종 이상의 상이한 원소 분말의 혼합물을 제공하는 단계가, 적어도 규소 원소 분말과 게르마늄 원소 분말의 혼합물을 제공함을 포함하는, 반도체 합금 열전 재료의 제조방법.Wherein the step of providing a mixture of two or more different elemental powders comprises providing a mixture of at least a silicon element powder and a germanium element powder. 열전 재료로서,As a thermoelectric material, 상기 열전 재료가, 평균 크기가 1 nm 내지 10 마이크론인 랜덤하게 배향된 복수의 그레인을 포함하는 반도체 물질 구조물을 포함하고;Wherein the thermoelectric material comprises a semiconductor material structure comprising a plurality of randomly oriented grains having an average size of 1 nm to 10 microns; 상기 그레인 중의 적어도 일부가, 평균 크기가 1 내지 100 ㎚의 범위인 하나 이상의 침전 영역을 포함하고,Wherein at least a portion of the grains comprise at least one precipitation region having an average size in the range of 1 to 100 nm, 상기 열전 재료가 실온 내지 2000 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1 이상의 ZT 값을 갖는, 열전 재료.Wherein the thermoelectric material has a ZT value of at least one at one or more temperatures in the range of room temperature to 2000 < 0 > C. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 그레인 및 상기 침전 영역이 동일한 반도체 합금을 기본으로 하고;Wherein the grain and the precipitation region are based on the same semiconductor alloy; 상기 열전 재료가 실온 내지 2000 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1.2 내지 3의 ZT 값을 가지며;Wherein the thermoelectric material has a ZT value of 1.2 to 3 at one or more temperatures in the range of room temperature to 2000 < 0 >C; 상기 그레인의 평균 그레인 크기가 5000 nm 미만이고, 상기 침전 영역의 평균 크기가 1 내지 50 nm인, 열전 재료.Wherein the average grain size of the grain is less than 5000 nm and the average size of the precipitation region is 1 to 50 nm. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 열전 재료가 비스무트 안티몬 텔루라이드계 물질을 포함하고;Wherein the thermoelectric material comprises a bismuth antimony telluride based material; 상기 열전 재료가 실온 내지 300 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1.2 이상의 ZT 값을 가지며;Wherein the thermoelectric material has a ZT value of at least 1.2 at one or more temperatures in the range of room temperature to 300 < 0 >C; 상기 침전 영역이 안티몬 풍부 침전 영역 또는 텔루륨 영역을 포함하는, 열전 재료.Wherein the precipitation zone comprises an antimony rich precipitation zone or a tellurium zone. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 열전 재료가 규소 게르마늄계 물질을 포함하고;Wherein the thermoelectric material comprises a silicon germanium-based material; 상기 열전 재료가 400 내지 1200 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1.2 이상의 ZT 값을 가지며;The thermoelectric material has a ZT value of at least 1.2 at one or more temperatures in the range of 400 to 1200 占 폚; 상기 침전 영역이 금속 규화물 영역을 포함하는, 열전 재료.Wherein the precipitate region comprises a metal silicide region. 제9항에 있어서, 상기 침전 영역이 모듈레이션 도핑(modulation doping)되는, 열전 재료.10. The thermoelectric material according to claim 9, wherein the precipitation region is modulation doped. 제9항에 있어서, 상기 열전 재료가, 작동하는 열전 장치에서 사용되는 경우, 상기 침전 영역이 상기 그레인에 대해 전하 캐리어를 공여하는, 열전 재료.10. The thermoelectric material according to claim 9, wherein when the thermoelectric material is used in an operating thermoelectric device, the precipitate region donates a charge carrier to the grain. 반도체 합금 열전 재료의 형성방법으로서, A method of forming a semiconductor alloy thermoelectric material, 상기 형성방법이 반도체 합금 나노입자를 포함하는 반도체 합금 분말을 제공하는 단계; 및 상기 반도체 합금 분말을 압력하에 승온에서 압축시켜, 실온 내지 2000 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1 이상의 ZT 값을 갖는 반도체 합금 열전 재료를 생성시키는 단계를 포함하고;The method comprising: providing a semiconductor alloy powder comprising semiconductor alloy nanoparticles; And compressing the semiconductor alloy powder at elevated temperature under pressure to produce a semiconductor alloy thermoelectric material having a ZT value of at least one at a temperature ranging from room temperature to 2000 占 폚; 상기 반도체 합금 열전 재료가 5000 nm 미만의 평균 그레인 크기를 갖는 랜덤하게 배향된 그레인을 포함하고, 상기 그레인 중의 적어도 일부가 1 내지 100 nm의 평균 크기를 갖는 하나 이상의 침전 영역을 포함하는, 반도체 합금 열전 재료의 형성방법.Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material comprises randomly oriented grains having an average grain size of less than 5000 nm and at least some of the grains comprise at least one precipitation region having an average size of 1 to 100 nm. A method of forming a material. 제15항에 있어서,16. The method of claim 15, 상기 반도체 합금 나노입자의 평균 크기가 1 내지 200 nm이고;The average size of the semiconductor alloy nanoparticles is 1 to 200 nm; 상기 반도체 합금 열전 재료가 실온 내지 2000 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1 내지 3의 ZT 값을 갖는, 반도체 합금 열전 재료의 형성방법.Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material has a ZT value of from 1 to 3 at one or more temperatures ranging from room temperature to 2000 < 0 > C. 제16항에 있어서,17. The method of claim 16, 상기 반도체 합금 열전 재료가 비스무트 텔루라이드계 물질 또는 비스무트 안티몬 텔루라이드계 물질을 포함하고;Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material comprises a bismuth telluride based material or a bismuth antimony telluride based material; 상기 반도체 합금 열전 재료가 실온 내지 300 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1.2 이상의 ZT 값을 갖는, 반도체 합금 열전 재료의 형성방법.Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material has a ZT value of at least 1.2 at one or more temperatures ranging from room temperature to 300 < 0 > C. 제16항에 있어서,17. The method of claim 16, 상기 반도체 합금 열전 재료가 규소 게르마늄계 물질을 포함하고;Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material comprises a silicon germanium-based material; 상기 반도체 합금 열전 재료가 400 내지 1200 ℃의 범위에 속하는 하나 이상의 온도에서 1.2 이상의 ZT 값을 갖는, 반도체 합금 열전 재료의 형성방법.Wherein the semiconductor alloy thermoelectric material has a ZT value of 1.2 or more at one or more temperatures falling within the range of 400 to 1200 占 폚. 제15항에 있어서, 상기 형성방법이 상기 반도체 합금 열전 재료 내에 침전 영역을 형성함을 추가로 포함하는, 반도체 합금 열전 재료의 형성방법.16. The method of claim 15, wherein the forming method further comprises forming a settling region in the semiconductor alloy thermoelectric material. 제19항에 있어서, 상기 침전 영역이 고체 상태 화학 반응에 의해 형성되는, 반도체 합금 열전 재료의 형성방법.20. The method of claim 19, wherein the precipitation region is formed by a solid state chemical reaction. 제15항에 있어서, 상기 반도체 합금 열전 재료가 실온에서 1 이상의 ZT 값을 갖는, 반도체 합금 열전 재료의 형성방법.16. The method of claim 15, wherein the semiconductor alloy thermoelectric material has a ZT value of at least 1 at room temperature. 제15항에 있어서, 상기 형성방법이 상기 반도체 합금 분말을 압력하에 승온에서 압축시키는 단계 동안 상기 반도체 분말에 전류를 통과시킴을 추가로 포함하는, 반도체 합금 열전 재료의 형성방법.16. The method of claim 15, wherein the forming method further comprises passing an electrical current through the semiconductor powder during the step of compressing the semiconductor alloy powder at elevated temperature under pressure. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190049016A (en) 2017-11-01 2019-05-09 한국전기연구원 Crystal oriented chalcogenide thermoelectric materials using tape casting method and manufacturing method thereof
KR20210057539A (en) 2019-11-12 2021-05-21 한국전기연구원 Anisotropic Thermoelectric Material Composition for Tape Casting Process

Families Citing this family (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010004360A1 (en) * 2008-07-11 2010-01-14 Commissariat A L'energie Atomique Sige matrix nanocomposite materials with an improved thermoelectric figure of merit
KR101736974B1 (en) 2010-04-08 2017-05-17 삼성전자주식회사 Thermoelectric materials and method for manufacturing the same
JP2012023201A (en) * 2010-07-14 2012-02-02 Toyota Motor Corp Manufacturing method of thermoelectric conversion material
KR101779497B1 (en) * 2010-08-26 2017-09-18 엘지이노텍 주식회사 Thermoelectric module comprising thermoelectric element doped with nanoparticles and manufacturing method of the same
JP2013546175A (en) * 2010-10-18 2013-12-26 ウェイク フォレスト ユニバーシティ Thermoelectric device and its use
JP5206768B2 (en) * 2010-11-08 2013-06-12 トヨタ自動車株式会社 Nanocomposite thermoelectric conversion material, method for producing the same, and thermoelectric conversion element
US8957299B2 (en) 2011-01-24 2015-02-17 Samsung Electronics Co., Ltd. Thermoelectric material including nano-inclusions, thermoelectric module and thermoelectric apparatus including the same
KR101980194B1 (en) * 2011-01-24 2019-05-21 삼성전자주식회사 Thermoelectric material comprising nano-inclusions, thermoelectric module and thermoelectric apparatus comprising same
RU2470414C1 (en) * 2011-06-28 2012-12-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" METHOD OF PRODUCING p-TYPE THERMOELECTRIC MATERIAL BASED ON SOLID SOLUTIONS OF Bi2Te3-Sb2Te3
KR101300141B1 (en) * 2011-08-11 2013-08-26 재단법인대구경북과학기술원 Method for synthesizing a BixSb2-xTe3 thermoelectric nanocompound and the thermoelectric nanocompound thereof
KR101952358B1 (en) * 2011-10-31 2019-02-26 엘지이노텍 주식회사 The thermoelectric device having improved thermoelectric characteristics
KR101952883B1 (en) * 2011-10-31 2019-05-31 엘지이노텍 주식회사 The thermoelectric device having improved thermoelectric efficiency
US20140318593A1 (en) * 2011-11-21 2014-10-30 Research Triangle Institute Nanoparticle compact materials for thermoelectric application
KR102001062B1 (en) 2012-01-16 2019-10-01 삼성전자주식회사 Thermoelectric nano-composite, and thermoelectric module and thermoelectric apparatus comprising same
EP2784835B1 (en) 2012-05-31 2016-03-16 Japan Science and Technology Agency Thermoelectric material, method for producing same, and thermoelectric conversion module using same
FR2991207B1 (en) * 2012-06-04 2014-05-16 Commissariat Energie Atomique METHOD FOR MANUFACTURING THERMOELECTRIC MATERIAL
US9025313B2 (en) 2012-08-13 2015-05-05 Intel Corporation Energy storage devices with at least one porous polycrystalline substrate
WO2014051709A1 (en) * 2012-09-27 2014-04-03 Laird Technologies, Inc. Bismuth antimony telluride nano-bulk composites with high figures of merit (zt)
RU2528338C1 (en) * 2013-05-30 2014-09-10 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) Nanostructured thermoelectric material
US9761777B2 (en) 2013-09-09 2017-09-12 Lg Chem, Ltd. Thermoelectric materials
US10002999B2 (en) 2013-09-09 2018-06-19 Lg Chem, Ltd. Thermoelectric materials and their manufacturing method
KR101612492B1 (en) * 2013-09-09 2016-04-14 주식회사 엘지화학 Thermoelectric materials
KR101635638B1 (en) * 2013-10-17 2016-07-01 주식회사 엘지화학 Thermoelectric materials and their manufacturing method
JP2016058558A (en) * 2014-09-10 2016-04-21 本田技研工業株式会社 Thermoelectric conversion material, method of producing thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion module
DE102015003612A1 (en) * 2015-03-23 2016-09-29 Universität Duisburg-Essen Process for producing a mixture of nanoparticles and body thereof
KR102401917B1 (en) * 2015-04-02 2022-05-25 엘지이노텍 주식회사 Thermoelectric Material Composition for Thermoelectric Element and Thermoelectric Element including the same
JPWO2017037884A1 (en) * 2015-09-02 2018-04-05 株式会社日立製作所 Thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module using the same
US10115894B2 (en) * 2016-06-20 2018-10-30 Massachusetts Institute Of Technology Apparatus and methods for electrical switching
CN105936985A (en) * 2016-06-30 2016-09-14 东华大学 Preparing method of high-performance multi-sized nanostructure skutterudite material
CN106252499B (en) * 2016-09-19 2019-09-24 深圳热电新能源科技有限公司 A kind of high-performance N-type PbTe base thermoelectricity material and preparation method thereof
CN108103336B (en) * 2016-11-25 2019-06-28 河南城建学院 Bi1-xSbxThermoelectric material and preparation method thereof
CN106784287A (en) * 2016-12-28 2017-05-31 滁州玛特智能新材料科技有限公司 High temperature quantum-well superlattice thick film thermoelectric material and its production method
JP6951097B2 (en) * 2017-03-29 2021-10-20 株式会社日立製作所 Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module
JP7209167B2 (en) * 2017-05-08 2023-01-20 パナソニックIpマネジメント株式会社 Jintle phase thermoelectric conversion material
JP6892786B2 (en) * 2017-05-10 2021-06-23 株式会社日立製作所 Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion module
KR102080377B1 (en) * 2017-12-31 2020-02-21 서울대학교산학협력단 Thermoelectric materials and method for manufacturing the same
CN109659425B (en) * 2018-12-29 2020-07-10 昆明理工大学 Bismuth-based thermoelectric material with doping effect improved by using barrier layer and preparation method thereof
CN113328031A (en) * 2020-09-01 2021-08-31 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 High-strength and high-efficiency bismuth telluride block and preparation method and application thereof
WO2022251358A1 (en) * 2021-05-25 2022-12-01 Ionobell, Inc. Silicon material and method of manufacture

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000261052A (en) 1999-03-05 2000-09-22 Sharp Corp Manufacture for thin-film thermoelectric conversion element and the thin-film thermoelectric conversion element
JP2003031860A (en) 2001-07-19 2003-01-31 Toshiba Corp Thermoelectric material and thermoelectric conversion module
JP2003089804A (en) 2001-09-18 2003-03-28 Mitsubishi Heavy Ind Ltd METHOD FOR MANUFACTURING Bi-Te-BASED THERMOELECTRIC MATERIAL
JP2006303427A (en) * 2005-03-23 2006-11-02 Shimane Univ Manufacturing method of thermoelectric semiconductor material

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4588520A (en) * 1982-09-03 1986-05-13 Energy Conversion Devices, Inc. Powder pressed thermoelectric materials and method of making same
JPH09100166A (en) * 1995-10-06 1997-04-15 Tokuyama Corp Composite sintered product
JP3529576B2 (en) * 1997-02-27 2004-05-24 財団法人電力中央研究所 Thermoelectric material and method for manufacturing the same
US20040187905A1 (en) * 2003-03-27 2004-09-30 Heremans Joseph Pierre Thermoelectric materials with enhanced seebeck coefficient
EP1766698A2 (en) * 2004-06-14 2007-03-28 Delphi Technologies Inc. Thermoelectric materials comprising nanoscale inclusions to enhance seebeck coefficient
US7465871B2 (en) * 2004-10-29 2008-12-16 Massachusetts Institute Of Technology Nanocomposites with high thermoelectric figures of merit
US7309830B2 (en) * 2005-05-03 2007-12-18 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Nanostructured bulk thermoelectric material

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000261052A (en) 1999-03-05 2000-09-22 Sharp Corp Manufacture for thin-film thermoelectric conversion element and the thin-film thermoelectric conversion element
JP2003031860A (en) 2001-07-19 2003-01-31 Toshiba Corp Thermoelectric material and thermoelectric conversion module
JP2003089804A (en) 2001-09-18 2003-03-28 Mitsubishi Heavy Ind Ltd METHOD FOR MANUFACTURING Bi-Te-BASED THERMOELECTRIC MATERIAL
JP2006303427A (en) * 2005-03-23 2006-11-02 Shimane Univ Manufacturing method of thermoelectric semiconductor material

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190049016A (en) 2017-11-01 2019-05-09 한국전기연구원 Crystal oriented chalcogenide thermoelectric materials using tape casting method and manufacturing method thereof
KR20210057539A (en) 2019-11-12 2021-05-21 한국전기연구원 Anisotropic Thermoelectric Material Composition for Tape Casting Process

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CN104795486A (en) 2015-07-22
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WO2008140596A3 (en) 2009-12-30

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