KR102452121B1 - n-type thermoelectric Metal Alloy Nanowire and the Fabrication Method Thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 합금기반 n-형 열전 나노와이어에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명에 따른 n-형 열전 나노와이어는 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어이며, 하기 식 1 및 식 2를 만족한다.
(식 1)
1x103 Sm-1 ≤ EC ≤ 1x104 Sm-1
(식 1에서 EC는 상기 2원계 합금 나노와이어의 전기전도도(electrical conductivity, Sm-1)이다)
(식 2)
Z ≤ - 110 μVK-1
(식 2에서 S는 2원계 상기 2원계 합금 나노와이어의 제벡 계수(Seebeck Coefficient, μVK-1)이다)
The present invention relates to an alloy-based n-type thermoelectric nanowire. Specifically, the n-type thermoelectric nanowire according to the present invention is a bismuth-antimony binary alloy nanowire, and satisfies the following Equations 1 and 2.
(Equation 1)
1x10 3 Sm -1 ≤ EC ≤ 1x10 4 Sm -1
(In Equation 1, EC is the electrical conductivity of the binary alloy nanowire (electrical conductivity, Sm -1 ))
(Equation 2)
Z ≤ - 110 μVK -1
(In Equation 2, S is the Seebeck coefficient of the binary alloy nanowire (Seebeck Coefficient, μVK -1 ))

Figure 112021011497256-pat00002
Figure 112021011497256-pat00002

Description

합금기반 n형 열전 나노와이어 및 이의 제조방법{n-type thermoelectric Metal Alloy Nanowire and the Fabrication Method Thereof}Alloy-based n-type thermoelectric nanowire and its manufacturing method

본 발명은 합금기반 n형 열전 나노와이어 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게, 나노와이어라는 저차원 구조인자에 의해 전기전도도의 큰 손실 없이 열전도도의 감소가 가능하면서도 우수한 제백 계수를 갖는 n형 열전 나노와이어 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an alloy-based n-type thermoelectric nanowire and a method for manufacturing the same, and more particularly, an n-type having an excellent Seebeck coefficient while reducing thermal conductivity without significant loss of electrical conductivity due to a low-dimensional structural factor called nanowire. It relates to a thermoelectric nanowire and a method for manufacturing the same.

열전 효과는 열에너지와 전기에너지를 직접적으로 상호 변환하는 현상으로, 산업 분야의 폐열 발전기 및 반도체에서 고직접 회로의 국부적인 냉각 등 다양한 분야에서 응용이 모색되고 있다. The thermoelectric effect is a phenomenon in which thermal energy and electrical energy are directly converted to each other, and applications are being sought in various fields such as local cooling of high direct circuits in industrial waste heat generators and semiconductors.

열전 성능 지수(figure of merit, ZT)는 제백 계수(S), 열전도도(κ), 전기전도도(σ)의 함수로, 나노와이어와 같은 저차원 나노 구조물에서 열전 성능지수를 이루는 각각의 인자(S, σ, κ)를 독립적으로 제어할 수 있다는 이론적 근거가 발표된 후, 나노 열전 소재에 많은 관심이 집중되고 있다. Thermoelectric figure of merit (ZT) is a function of Seebeck coefficient (S), thermal conductivity (κ), and electrical conductivity (σ), and each factor ( After the theoretical rationale for independently controlling S, σ, κ) was announced, a lot of attention has been paid to nano-thermoelectric materials.

반금속(semimetallic)인 Bi(bismuth)는 금속과 비금속의 중간적 성질을 가지며 단독 혹은 합금 형태로 열전물질로 이용되고 있다. 특히, 단결정 Bi 나노와이어는 밴드 오버랩 에너지가 매우 작은 특징 때문에 나노와이어의 직경 감소에 따른 양자구속 효과(quantum confinement effect)를 통해서 반금속-반도체 전이(semimetal to semiconductor transition) 현상으로 인한 제백계수(Seebeck coefficient)가 향상될 수 있음이 이론적으로 제시되었다. 또한, 나노와이어와 같은 저차원 나노 구조물에서는, 포논의 평균자유행로(mean free path)가 저차원 구조인자에 의해 제한을 받으나 전자의 평균자유행로는 영향을 받지 않기 때문에, 전기전도도(electrical conductivity)의 큰 손실 없이 포논 산란으로 인한 열전도도(thermal conductivity)를 줄임으로써 벌크상 열전물질의 한계를 극복하고 열전 성능 지수(figure of merit, ZT)를 높일 수 있다. Bi (bismuth), a semimetallic, has intermediate properties between metals and nonmetals, and is used as a thermoelectric material either alone or in an alloy form. In particular, since single crystal Bi nanowires have very small band overlap energy, the Seebeck coefficient (Seebeck coefficient) caused by the semimetal to semiconductor transition phenomenon through the quantum confinement effect according to the reduction in the diameter of the nanowire. coefficient) can be improved theoretically. In addition, in low-dimensional nanostructures such as nanowires, the mean free path of phonons is limited by low-dimensional structural factors, but the mean free path of electrons is not affected, so electrical conductivity ), by reducing the thermal conductivity due to phonon scattering, it is possible to overcome the limitations of bulk thermoelectric materials and increase the thermoelectric figure of merit (ZT).

그러나, 나노와이어와 같은 저차원 나노 구조물의 연구는 Bi와 Te등의 칼코겐 계에 집중되어 있는 실정이나, Bi-칼코겐 합금은 나노와이어와 같은 저차원 구조화시칼코겐의 휘발성에 의해 조성 제어가 어렵고 균질한 품질의 나노와이어 생산이 어려워 상용화에 그 한계가 있다.However, research on low-dimensional nanostructures such as nanowires is concentrated on chalcogen systems such as Bi and Te, but Bi-chalcogen alloys are compositionally controlled by the volatility of low-dimensional structured chalcogens such as nanowires. It is difficult to manufacture nanowires of homogeneous quality, so there is a limit to commercialization.

대한민국 공개특허 제10-2017-0026708호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0026708

본 발명은 향상된 열전 특성을 갖는 비 칼코겐계 합금 나노와이어 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.The present invention is to provide a non-chalcogen-based alloy nanowire having improved thermoelectric properties and a method for manufacturing the same.

본 발명에 따른 합금기반 n형 열전 나노와이어는 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어이며, 하기 식 1 및 식 2를 만족한다.The alloy-based n-type thermoelectric nanowire according to the present invention is a bismuth-antimony binary alloy nanowire, and satisfies Equations 1 and 2 below.

(식 1)(Equation 1)

1x103 Sm-1 ≤ EC ≤ 1x104 Sm-1 1x10 3 Sm -1 ≤ EC ≤ 1x10 4 Sm -1

식 1에서 EC는 상기 2원계 합금 나노와이어의 전기전도도(electrical conductivity, Sm-1)이다.In Equation 1, EC is the electrical conductivity (Sm -1 ) of the binary alloy nanowire.

(식 2)(Equation 2)

Z ≤ - 110 μVK-1 Z ≤ - 110 μVK -1

식 2에서 Z는 2원계 상기 2원계 합금 나노와이어의 제벡 계수(Seebeck Coefficient, μVK-1)이다.In Equation 2, Z is the Seebeck coefficient of the binary alloy nanowire (Seebeck Coefficient, μVK -1 ).

본 발명의 일 실시예에 따른 합금기반 n형 열전 나노와이어에 있어, 2원계 합금에서 비스무트 : 안티모니의 원소비는 1 : 0.1 내지 0.3일 수 있다. In the alloy-based n-type thermoelectric nanowire according to an embodiment of the present invention, an elemental ratio of bismuth:antimony in the binary alloy may be 1:0.1 to 0.3.

본 발명의 일 실시예에 따른 합금기반 n형 열전 나노와이어에 있어, 2원계 합금 나노와이어는 초격자구조(superlattice)를 가질 수 있다.In the alloy-based n-type thermoelectric nanowire according to an embodiment of the present invention, the binary alloy nanowire may have a superlattice structure.

본 발명의 일 실시예에 따른 합금기반 n형 열전 나노와이어에 있어, Z는 - 110 μVK-1 이하일 수 있다. In the alloy-based n-type thermoelectric nanowire according to an embodiment of the present invention, Z may be -110 μVK -1 or less.

본 발명의 일 실시예에 따른 합금기반 n형 열전 나노와이어에 있어, 상기 2원계 합금 나노와이어의 길이 방향에 수직으로 나노와이어를 가로지르는 가상의 분석선에 따른, 에너지 분산 X 선 분광법을 이용한 원소별 강도 분석 결과인 라인 프로파일(line profile)이 하기 식 3을 만족할 수 있다. In the alloy-based n-type thermoelectric nanowire according to an embodiment of the present invention, an element using energy dispersive X-ray spectroscopy according to a virtual analysis line crossing the nanowire perpendicular to the longitudinal direction of the binary alloy nanowire A line profile, which is a result of star strength analysis, may satisfy Equation 3 below.

(식 3)(Equation 3)

0.9 ≤ I2/I1 ≤ 10.9 ≤ I2/I1 ≤ 1

식 3에서 I1은 나노와이어에 위치하는 분석선을 유효 분석선으로 하고 유효 분석선의 길이를 D로 하여, 유효 분석선의 중심 내지 0.1D/2의 영역에서의 비스무스 강도를 안티모니 강도로 나눈 강도비이며, I2는 유효 분석선의 중심을 원점(0)으로, 0.5D/2 내지 D/2의 영역에서의 비스무스 강도를 안티모니 강도로 나눈 강도비이다. In Equation 3, I1 is an intensity ratio obtained by dividing the bismuth intensity in the region of 0.1D/2 from the center of the effective analysis line by the antimony intensity by using the analysis line located on the nanowire as the effective analysis line and the length of the effective analysis line as D. , and I2 is the intensity ratio obtained by dividing the center of the effective analysis line with the origin (0) and the bismuth intensity in the region of 0.5D/2 to D/2 divided by the antimony intensity.

본 발명의 일 실시예에 따른 합금기반 n형 열전 나노와이어에 있어, 나노와이어의 단축 직경은 50 내지 500nm일 수 있다. In the alloy-based n-type thermoelectric nanowire according to an embodiment of the present invention, the minor axis diameter of the nanowire may be 50 to 500 nm.

본 발명은 상술한 n형 열전 나노와이어의 제조방법을 포함한다.The present invention includes a method for manufacturing the above-described n-type thermoelectric nanowire.

본 발명에 따른 n형 열전 나노와이어의 제조방법은 a) 산화물층을 갖는 기판 상에 비스무트 박막을 형성하는 단계; b) 비스무트 박막이 형성된 기판을 제1열처리하여 비스무트 나노와이어를 성장시키는 단계; c) 비스무트 나노와이어 표면에 안티모니를 증착하여 비스무트-안티모니 코어-쉐스(sheath) 나노와이어를 제조하는 단계; 및 d) 비스무트-안티모니 코어-쉐스(sheath) 나노와이어를 제2열처리하여 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어를 제조하는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing an n-type thermoelectric nanowire according to the present invention comprises the steps of: a) forming a bismuth thin film on a substrate having an oxide layer; b) growing bismuth nanowires by first heat-treating the substrate on which the bismuth thin film is formed; c) depositing antimony on the surface of the bismuth nanowire to prepare a bismuth-antimony core-sheath nanowire; and d) bismuth-antimony core-sheath nanowires are subjected to a second heat treatment to prepare bismuth-antimony binary alloy nanowires.

본 발명의 일 실시예에 따른 n형 열전 나노와이어의 제조방법에 있어, 상기 기판의 열팽창 계수를 산화물층의 열팽창 계수로 나눈 비는 3 이상일 수 있다. In the method of manufacturing an n-type thermoelectric nanowire according to an embodiment of the present invention, a ratio obtained by dividing the coefficient of thermal expansion of the substrate by the coefficient of thermal expansion of the oxide layer may be 3 or more.

본 발명의 일 실시예에 따른 n형 열전 나노와이어의 제조방법에 있어, 상기 b) 단계의 제1열처리는 비스무트의 녹는점(℃)인 Tm(Bi)를 기준으로, 0.9 내지 0.95 Tm(Bi)에서 수행될 수 있다.In the method of manufacturing an n-type thermoelectric nanowire according to an embodiment of the present invention, the first heat treatment in step b) is 0.9 to 0.95 Tm(Bi) based on Tm(Bi), which is the melting point (°C) of bismuth. ) can be carried out.

본 발명의 일 실시예에 따른 n형 열전 나노와이어의 제조방법에 있어, 상기 d) 단계의 제2열처리는 하기 식 4를 만족하는 온도에서 수행될 수 있다. In the method of manufacturing an n-type thermoelectric nanowire according to an embodiment of the present invention, the second heat treatment in step d) may be performed at a temperature satisfying Equation 4 below.

(식 4)(Equation 4)

Tm(Bi) - 55℃ ≤ T ≤ Tm(Bi) + 40℃T m (Bi) - 55℃ ≤ T ≤ T m (Bi) + 40℃

식 4에서 T는 제2열처리 온도(℃)이며, Tm(Bi)는 비스무트의 녹는점(℃)이다.In Equation 4, T is the second heat treatment temperature (°C), and T m (Bi) is the melting point (°C) of bismuth.

본 발명의 일 실시예에 따른 n형 열전 나노와이어의 제조방법에 있어, 상기 d) 단계의 제2열처리는 Tm(Bi) 보다 낮은 온도에서 수행되는 저온 열처리와 Tm(Bi) 보다 높은 온도에서 수행되는 고온 열처리를 포함하며, 저온 열처리와 고온 열처리가 교번 수행될 수 있다. In the method of manufacturing an n-type thermoelectric nanowire according to an embodiment of the present invention, the second heat treatment in step d) includes a low temperature heat treatment performed at a temperature lower than T m (Bi) and a temperature higher than T m (Bi). Including high-temperature heat treatment performed in, low-temperature heat treatment and high-temperature heat treatment may be alternately performed.

본 발명에 따른 n형 열전 나노와이어는 비스무트가 안티모니와 합금화되며 발생하는 밴드 엔지니어링(band engineering)과 1 차원 나노구조(나노와이어)에 따른 양자구속효과 및 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어의 우수한 조성 균일성과 우수한 결정성에 의해 현저하게 향상된 제백 계수를 가지며, 벌크 비스무트-안티모니 합금과 거의 유사한 전기전도도 및 나노와이어라는 저차원 구조 인자에 의한 포논 평균자유행로(mean free path)의 감소와 합금화에 의한 안티모니와 비스무트 간의 큰 질량 차이에 의한 효과적인 포논 산란에 의해 열전도도의 감소가 가능하여, 열전 성능지수의 향상을 도모할 수 있다.In the n-type thermoelectric nanowire according to the present invention, the quantum confinement effect according to band engineering and one-dimensional nanostructure (nanowire) generated when bismuth is alloyed with antimony, and the bismuth-antimony binary alloy nanowire It has a remarkably improved Seebeck coefficient by excellent compositional uniformity and excellent crystallinity, and an electrical conductivity almost similar to that of bulk bismuth-antimony alloy, and reduction and alloying of phonon mean free path due to low-dimensional structural factors such as nanowires. The thermal conductivity can be reduced by effective phonon scattering due to the large mass difference between antimony and bismuth by

도 1은 본 발명의 일 실시예에서, 합금화를 위해 제조된 코어/쉐스 나노와이어의 투과전자현미경(TEM) 및 주사투과전자현미경(STEM) 사진 및 원소 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 비스무트-안티모니 합금 나노와이어의 투과전자현미경(TEM) 및 주사투과전자현미경(STEM) 사진 및 원소 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서 제조된 비스무트-안티모니 합금 나노와이어의 주사투과전자현미경(STEM) 사진(도 3(a)) 및 STEM 이미지에서 노란색 선을 따라 분석된 비스무트와 안티모니의 에너지 분산 X 선 분광(EDS; Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 라인 프로파일을 도시한 도면(3(b))이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 제조된 비스무트-안티모니 합금 나노와이어의 전기전도도와 제백 계수를 측정하는 플랫폼을 도시한 주사전자현미경 사진 및 제조된 비스무트-안티모니 합금 나노와이어의 전기전도도와 제백 계수를 측정 도시한 도면이다.
1 is a view showing a transmission electron microscope (TEM) and a scanning transmission electron microscope (STEM) photograph and elemental analysis results of a core/sheath nanowire prepared for alloying in an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a transmission electron microscope (TEM) and a scanning transmission electron microscope (STEM) photograph and elemental analysis results of the bismuth-antimony alloy nanowire prepared in an embodiment of the present invention.
3 is a scanning transmission electron microscope (STEM) photograph (FIG. 3(a)) of the bismuth-antimony alloy nanowire prepared in an embodiment of the present invention and bismuth and antimony analyzed along the yellow line in the STEM image. It is a diagram (3(b)) showing an Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) line profile.
4 is a scanning electron micrograph showing a platform for measuring the electrical conductivity and Seebeck coefficient of the bismuth-antimony alloy nanowire prepared in an embodiment of the present invention, and the prepared bismuth-antimony alloy nanowire; It is a diagram showing the measurement of the Seebeck coefficient.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 n형 열전 나노와이어 및 이의 제조방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the n-type thermoelectric nanowire of the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The drawings introduced below are provided as examples in order to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the drawings presented below and may be embodied in other forms, and the drawings presented below may be exaggerated to clarify the spirit of the present invention. At this time, if there is no other definition in the technical terms and scientific terms used, it has the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs, and the gist of the present invention in the following description and accompanying drawings Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily obscure will be omitted.

또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다. Also, the singular forms used in the specification and appended claims may also be intended to include the plural forms unless the context specifically dictates otherwise.

본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. In this specification and the appended claims, the terms include or have means that a feature or element described in the specification is present, and unless specifically limited, one or more other features or elements are added. This does not preclude the possibility that it will be.

본 발명에 따른 합금기반 n-형 열전 나노와이어는 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어이며, 하기 식 1 및 식 2를 만족한다.The alloy-based n-type thermoelectric nanowire according to the present invention is a bismuth-antimony binary alloy nanowire, and satisfies Equations 1 and 2 below.

(식 1)(Equation 1)

1x103 Sm-1 ≤ EC ≤ 1x104 Sm-1 1x10 3 Sm -1 ≤ EC ≤ 1x10 4 Sm -1

식 1에서 EC는 상기 2원계 합금 나노와이어의 전기전도도(electrical conductivity, Sm-1)이다.In Equation 1, EC is the electrical conductivity (Sm -1 ) of the binary alloy nanowire.

(식 2)(Equation 2)

Z ≤ - 110 μVK-1 Z ≤ - 110 μVK -1

식 2에서 Z는 2원계 상기 2원계 합금 나노와이어의 제백 계수(Seebeck Coefficient, μVK-1)이다.In Equation 2, Z is the Seebeck coefficient of the binary alloy nanowire (Seebeck Coefficient, μVK -1 ).

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열전 나노와이어는 음의 제백 계수를 갖는 n-형 열전 나노와이어이며, 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어이다.As described above, the thermoelectric nanowire according to the present invention is an n-type thermoelectric nanowire having a negative Seebeck coefficient, and is a bismuth-antimony binary alloy nanowire.

안티모니는 비칼코겐 원소이며, 칼코겐 원소 대비 낮은 휘발성을 가져 균질한 조성의 나노와이어 제조를 가능하게 하고, 재현성 있는 나노와이어의 제조를 가능하게 한다. 또한, 나노와이어라는 저차원 구조 인자에 의한 포논 평균자유행로(mean free path)의 감소와 함께, 비스무트 질량(분자량)의 58% 수준에 불과한 안티모니와의 합금화에 의한 안티모니와 비스무트 간의 큰 질량 차이로 포논을 효과적으로 산란시켜 열 전도도를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 비스무트가 안티모니와 합금화되며 발생하는 밴드 엔지니어링(band engineering)과 1 차원 나노구조(나노와이어)에 따른 양자구속효과 및 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어의 우수한 조성 균일성과 우수한 결정성에 의해, - 110 μVK-1 이하, 구체적으로 - 115 μVK-1 이하, 보다 구체적으로 - 120 μVK-1 이하, 보다 더 구체적으로 - 125 μVK-1 이하의 제백계수를 가질 수 있으며, 비스무트 나노와이어나 벌크 비스무트-안티모니 합금의 전기전도도와 유사한 1x103 Sm-1 내지 1x104 Sm-1 수준의 전기전도도를 가질 수 있다. Antimony is a non-chalcogen element, and has low volatility compared to a chalcogen element, enabling the manufacture of nanowires of a homogeneous composition, and enables the manufacture of reproducible nanowires. In addition, the large mass between antimony and bismuth due to alloying with antimony, which is only 58% of the bismuth mass (molecular weight), along with the reduction of the phonon mean free path due to the low-dimensional structural factor of nanowires. The difference can effectively scatter phonons, effectively reducing the thermal conductivity. In addition, band engineering generated when bismuth is alloyed with antimony, quantum confinement effect according to one-dimensional nanostructure (nanowire), and excellent compositional uniformity and excellent crystallinity of bismuth-antimony binary alloy nanowire , - 110 μVK -1 or less, specifically - 115 μVK -1 or less, more specifically - 120 μVK -1 or less, and even more specifically - 125 μVK -1 or less, may have a Seebeck coefficient of bismuth nanowire or bulk It may have an electrical conductivity of 1x10 3 Sm -1 to 1x10 4 Sm -1 similar to the electrical conductivity of the bismuth-antimony alloy.

상세하게, - 110 μVK-1 이하의 제백 계수는 본 발명에 따른 열전 나노와이어와 동일 디멘젼(단축 직경)을 갖는 비스무트 나노와이어의 제백 계수 대비 2배 이상 향상된 제백 계수이며, 동일 조성의 비스무트-안티모니 벌크의 제백 계수 대비 1.2배 이상 향상된 제백 계수이다. 이때, 비스무트, 비스무트-안티모니 합금 모두 n형 열전 특성을 가짐에 따라 음의 제백 계수를 가짐은 물론이다. Specifically, the Seebeck coefficient of -110 μVK -1 or less is a Seebeck coefficient that is more than twice improved compared to the Seebeck coefficient of the bismuth nanowire having the same dimension (short axis diameter) as the thermoelectric nanowire according to the present invention, and the bismuth-anti- The Seebeck coefficient is more than 1.2 times improved compared to the Seebeck coefficient of Mony bulk. In this case, as both bismuth and bismuth-antimony alloys have n-type thermoelectric properties, they have a negative Seebeck coefficient as well.

일 구체예에서, 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어에서 비스무트 : 안티모니의 원소비는 1 : 0.1 내지 0.3, 구체적으로 1 : 0.10 내지 0.25, 보다 구체적으로 1 : 0.15 내지 0.25일 수 있다. 이러한 비스무트-안티모니 2원계 합금 조성은 합금화되며 발생하는 밴드 엔지니어링에 의해 반금속-반도체 전이(semimetal to semiconductor transition)가 발생되며 제백 계수가 보다 더 향상될 수 있는 조성이다. 구체적으로, 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어가 상술한 조성을 만족함으로써, - 120 μVK-1 이하, 보다 더 구체적으로 - 125 μVK-1 이하, 더욱 더 구체적으로 - 130 μVK-1 이하의 제백계수를 가질 수 있다. In one embodiment, in the bismuth-antimony binary alloy nanowire, an elemental ratio of bismuth to antimony may be 1:0.1 to 0.3, specifically 1:0.10 to 0.25, and more specifically 1:0.15 to 0.25. Such a bismuth-antimony binary alloy composition is a composition in which a semimetal to semiconductor transition occurs by band engineering generated by alloying and the Seebeck coefficient can be further improved. Specifically, since the bismuth-antimony binary alloy nanowire satisfies the above-described composition, the Seebeck coefficient of - 120 μVK -1 or less, more specifically - 125 μVK -1 or less, and still more specifically - 130 μVK -1 or less can have

일 구체예에서, 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어는 2원계 합금의 결정체, 구체적으로 다결정체 내지 단결정체, 보다 구체적으로 단결정체일 수 있다. 일 예로, 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어는 단결정체일 수 있으며, 고용상(solid solution) 또는 초격자(superlattice) 구조를 가질 수 있다. In one embodiment, the bismuth-antimony binary alloy nanowire may be a crystal of a binary alloy, specifically a polycrystalline to a single crystal, and more specifically a single crystal. For example, the bismuth-antimony binary alloy nanowire may be a single crystal, and may have a solid solution or a superlattice structure.

일 구체예에서, 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어는 극히 균일한 조성을 가질 수 있다. 구체적으로, 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어의 길이 방향에 수직으로 나노와이어를 가로지르는 가상의 분석선에 따른, 에너지 분산 X 선 분광법을 이용한 원소별 강도 분석 결과인 라인 프로파일(line profile)이 하기 식 3을 만족할 수 있다. In one embodiment, the bismuth-antimony binary alloy nanowire may have an extremely uniform composition. Specifically, the bismuth-antimony binary alloy nanowire is a line profile that is the result of strength analysis for each element using energy dispersive X-ray spectroscopy along a virtual analysis line that crosses the nanowire perpendicular to the longitudinal direction of the nanowire. Equation 3 below may be satisfied.

(식 3)(Equation 3)

0.9 ≤ I2/I1 ≤ 10.9 ≤ I2/I1 ≤ 1

식 3에서 I1은 나노와이어에 위치하는 분석선을 유효 분석선으로 하고 유효 분석선의 길이를 D로 하여, 유효 분석선의 중심 내지 0.1D/2의 영역에서의 비스무스 강도를 안티모니 강도로 나눈 강도비이며, I2는 유효 분석선의 중심을 원점(0)으로, 0.5D/2 내지 D/2의 영역에서의 비스무스 강도를 안티모니 강도로 나눈 강도비이다. 분석선이 나노와이어의 길이 방향에 수직으로 나노와이어를 가로지르는 가상의 선임에 따라, 유효분석선의 길이는 나노와이어의 단축 직경에 상응할 수 있다. 이때, 라인 프로파일은 강도(intensity) 프로파일일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 검출된 강도를 이용하여 산출된 조성(atomic%)의 프로파일을 이용하여도 무방하다 이러한 경우 I1과 I2는 각 영역에서의 조성에 상응할 수 있다. 실험적으로, 라인 프로파일은 분석을 위해 별도로 가공되지 않은 제조 상태(as-fabricated) 그대로의 나노와이어를 주사전자현미경(SEM), 투과전자현미경(TEM) 또는 주사투과전자현미경(STEM) 관찰하여 나노와이어를 길이 방향에 수직으로 가로지르는 가상의 선을 따라 에너지 분산 X-선 분광 분석하여 얻어진 것일 수 있다.In Equation 3, I1 is an intensity ratio obtained by dividing the bismuth intensity in the region of 0.1D/2 from the center of the effective analysis line by the antimony intensity by using the analysis line located on the nanowire as the effective analysis line and the length of the effective analysis line as D. , and I2 is the intensity ratio obtained by dividing the center of the effective analysis line with the origin (0) and the bismuth intensity in the region of 0.5D/2 to D/2 divided by the antimony intensity. According to an imaginary line in which the analysis line crosses the nanowire perpendicular to the length direction of the nanowire, the length of the effective analysis line may correspond to the minor axis diameter of the nanowire. In this case, the line profile may be an intensity profile, but is not necessarily limited thereto, and a profile of the composition (atomic%) calculated using the detected intensity may be used. In this case, I1 and I2 are each region may correspond to the composition in Experimentally, the line profile was analyzed using a scanning electron microscope (SEM), a transmission electron microscope (TEM) or a scanning transmission electron microscope (STEM) to observe the as-fabricated as-fabricated nanowires for analysis. may be obtained by performing energy dispersive X-ray spectroscopy along an imaginary line perpendicular to the longitudinal direction.

실질적으로, 식 3의 I2/I1은 0.90 내지 1.00, 구체적으로 0.92 내지 1.00, 보다 구체적으로 0.95 내지 1.00일 수 있다. 이러한 I2/I1의 값은 나노와이어의 중심부에서 측정된 조성과 나노와이어의 가장자리 영역에서 측정된 조성이 실질적으로 동일함을 의미하는 것이다. 앞서 상술한 바와 같이, 비스무트와 안티모니가 합금화되며 수반하는 밴드 엔지니어링에 의해 반금속-반도체 전이 현상이 발생할 수 있다. 이에, 균일한 조성은 나노와이어 전체적으로 반금속-반도체 전이가 발생함을 의미하는 것이며, 질량차에 의한 포논 산란 또한 균질하게 발생함을 의미하는 것이다. Substantially, I2/I1 in Equation 3 may be 0.90 to 1.00, specifically 0.92 to 1.00, and more specifically 0.95 to 1.00. This value of I2/I1 means that the composition measured at the center of the nanowire and the composition measured at the edge of the nanowire are substantially the same. As described above, bismuth and antimony are alloyed and a semi-metal-semiconductor transition phenomenon may occur due to the accompanying band engineering. Accordingly, the uniform composition means that the semi-metal-semiconductor transition occurs throughout the nanowire, and phonon scattering due to the mass difference also occurs homogeneously.

일 구체예에서, 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어의 단축 직경은 50 내지 500nm, 구체적으로 50 내지 300nm, 보다 구체적으로 50 내지 150nm일 수 있다. 이러한 2원계 합금 나노와이어의 단축 직경은 저차원 구조 인자에 의한 포논 평균자유행로를 효과적으로 감소시킬 수 있으며 전기전도도의 열화를 억제할 수 있는 직경이다. 이때, 2원계 합금 나노와이어의 장단축비(aspect ratio)는 100 내지 10000 수준일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In one embodiment, the minor axis diameter of the bismuth-antimony binary alloy nanowire may be 50 to 500 nm, specifically 50 to 300 nm, more specifically 50 to 150 nm. The minor axis diameter of such a binary alloy nanowire is a diameter that can effectively reduce the phonon mean free path due to low-dimensional structural factors and suppress deterioration of electrical conductivity. At this time, the long and short aspect ratio (aspect ratio) of the binary alloy nanowire may be 100 to 10000 level, but is not limited thereto.

일 구체예에서, 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어는 균일한 직경을 가질 수 있다. 상세하게, 2원계 합금 나노와이어의 길이 방향으로 랜덤하게 5 내지 10곳에서 측정된 단축 직경의 크기(들)에서 최대 단축 직경을 Dmax로, 최소 단축직경을 Dmin으로 할 때, Dmax는 1.1Dmin 이내, 구체적으로 1.08Dmin 이내, 보다 구체적으로 1.05Dmin 이내일 수 있다. In one embodiment, the bismuth-antimony binary alloy nanowire may have a uniform diameter. Specifically, when the maximum minor axis diameter is Dmax and the minimum minor axis diameter is Dmin in the size(s) of minor axis diameters randomly measured at 5 to 10 places in the longitudinal direction of the binary alloy nanowire, Dmax is within 1.1Dmin , specifically within 1.08 Dmin, more specifically within 1.05 Dmin.

본 발명은 상술한 n-형 열전 나노와이어의 제조방법을 포함한다. The present invention includes a method for manufacturing the above-described n-type thermoelectric nanowire.

본 발명에 따른 n-형 열전 나노와이어의 제조방법은 a) 산화물층을 갖는 기판 상에 비스무트 박막을 형성하는 단계; b) 비스무트 박막이 형성된 기판을 제1열처리하여 비스무트 나노와이어를 성장시키는 단계; c) 비스무트 나노와이어 표면에 안티모니를 증착하여 비스무트-안티모니 코어-쉐스(sheath) 나노와이어를 제조하는 단계; 및 d) 비스무트-안티모니 코어-쉐스(sheath) 나노와이어를 제2열처리하여 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어를 제조하는 단계;를 포함한다.A method of manufacturing an n-type thermoelectric nanowire according to the present invention comprises: a) forming a bismuth thin film on a substrate having an oxide layer; b) growing bismuth nanowires by first heat-treating the substrate on which the bismuth thin film is formed; c) depositing antimony on the surface of the bismuth nanowire to prepare a bismuth-antimony core-sheath nanowire; and d) bismuth-antimony core-sheath nanowires are subjected to a second heat treatment to prepare bismuth-antimony binary alloy nanowires.

산화물층을 갖는 기판은 b) 단계의 제1열처리시, a) 단계에서 형성되는 비스무트 박막에 압축 응력을 야기하여 비스무트 박막으로부터 비스무트 나노와이어가 생성되는 구동력을 제공하다. When the substrate having the oxide layer is subjected to the first heat treatment in step b), compressive stress is caused to the bismuth thin film formed in step a), thereby providing a driving force for generating bismuth nanowires from the bismuth thin film.

b) 단계의 열처리시 비스무트 박막에 압축 응력이 인가될 수 있도록 산화물층의 열팽창 계수는 기판의 열팽창 계수와 비스무트의 열팽창 계수보다 작을 수 있으며, b) 단계의 열처리시 비스무트 박막으로부터 비스무트 나노와이어가 형성되는 구동력을 제공할 수 있도록 기판의 열팽창 계수를 산화물층의 열팽창 계수로 나눈 비는 3.0 이상, 구체적으로 3.5 이상, 보다 구체적으로 4.0 이상, 보다 더 구체적으로 4.5 이상일 수 있으며, 실질적으로 10 이하일 수 있다. 실질적인 일 예로, 기판의 열팽창 계수는 2 내지 5 x 10-6/℃일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The thermal expansion coefficient of the oxide layer may be smaller than the thermal expansion coefficient of the substrate and the thermal expansion coefficient of bismuth so that compressive stress can be applied to the bismuth thin film during the heat treatment in step b), and bismuth nanowires are formed from the bismuth thin film during the heat treatment in step b). The ratio of the coefficient of thermal expansion of the substrate divided by the coefficient of thermal expansion of the oxide layer may be 3.0 or more, specifically 3.5 or more, more specifically 4.0 or more, even more specifically 4.5 or more, and may be substantially 10 or less so as to provide a driving force. . As a practical example, the thermal expansion coefficient of the substrate may be 2 to 5 x 10 -6 /°C, but is not necessarily limited thereto.

열처리시 열적 안정성을 담보하며 비스무트 박막에 안정적으로 압축 응력을 제공하는 측면에서 산화물층은 무기 산화물층일 수 있으며, 기판 또한 무기 기판일 수 있다. 이때, 산화물층의 두께는 300 내지 500nm 수준일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 산화물층과 기판 간 강하게 결착된 계면이 형성될 수 있도록, 무기 산화물층의 무기 성분은 무기 기판의 무기 성분과 동일할 수 있으며, 구체적으로, 무기 산화물층은 무기 기판의 표면 산화물층일 수 있다. 일 예로, 무기 기판은 실리콘 기판일 수 있으며, 무기 산화물층은 실리콘 표면 산화물층일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.In terms of ensuring thermal stability during heat treatment and stably providing compressive stress to the bismuth thin film, the oxide layer may be an inorganic oxide layer, and the substrate may also be an inorganic substrate. In this case, the thickness of the oxide layer may be 300 to 500 nm, but is not necessarily limited thereto. In addition, the inorganic component of the inorganic oxide layer may be the same as the inorganic component of the inorganic substrate so that a strongly bound interface between the oxide layer and the substrate can be formed, and specifically, the inorganic oxide layer may be a surface oxide layer of the inorganic substrate. . For example, the inorganic substrate may be a silicon substrate, and the inorganic oxide layer may be a silicon surface oxide layer, but is not limited thereto.

a) 단계에서 비스무트 박막은 스퍼터링등을 포함한 통상의 물리적 증착을 이용하여 형성될 수 있으며, 박막에 전체적으로 균일하고 큰 압축 응력이 걸릴 수 있도록, 비스무트 박막의 두께는 50nm 내지 4μm 수준일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. In step a), the bismuth thin film may be formed using conventional physical vapor deposition including sputtering, and the thickness of the bismuth thin film may be at the level of 50 nm to 4 μm, so that the thin film can be uniformly and large compressive stress. The present invention is not limited thereto.

b) 단계의 열처리(제1열처리)는 기판-산화물층-비스무트 박막(비스무트 열팽창계수 = 13.4x10-6/℃) 구조에 의해 비스무트 박막에 야기되는 열 응력(압축 응력)의 구동력으로 비스무트 나노와이어를 성장시키기 위한 열처리로, 나노와이어 성장을 위한 구동력을 안정적으로 제공하며 활발한 물질 이동이 발생할 수 있도록, 제1열처리는 비스무트의 녹는점(℃, 대기압 기준)인 Tm(Bi)를 기준으로, 0.90 Tm(Bi) 내지 0.95 Tm(Bi)에서 수행될 수 있으며, 보다 구체적으로 0.90 Tm(Bi) 내지 0.93 Tm(Bi)에서 수행될 수 있다. 이때, 제1열처리는 진공 또는 불활성 분위기에서 수행될 수 있으며, 2 내지 15시간 수행될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The heat treatment (first heat treatment) of step b) is a bismuth nanowire as a driving force of thermal stress (compressive stress) induced in the bismuth thin film by the substrate-oxide layer-bismuth thin film (bismuth thermal expansion coefficient = 13.4x10 -6 /°C) structure. The first heat treatment is based on T m (Bi), the melting point of bismuth (°C, atmospheric pressure), to stably provide driving force for nanowire growth and to allow active material movement to occur. It may be performed at 0.90 T m (Bi) to 0.95 T m (Bi), and more specifically, it may be performed at 0.90 T m (Bi) to 0.93 T m (Bi). In this case, the first heat treatment may be performed in a vacuum or an inert atmosphere, and may be performed for 2 to 15 hours, but is not necessarily limited thereto.

b) 단계가 수행된 후, b) 단계에서 제조된 비스무트 나노와이어 표면에 안티모니를 증착하여 비스무트-안티모니 코어-쉐스(sheath) 나노와이어를 제조하는 단계(c) 단계)가 수행될 수 있다. 안티모니의 증착 또한 스퍼터링을 포함하는 물리적 증착을 이용하여 수행될 수 있다. 이때, 증착 과정에서 단결정체인 비스무트 나노와이어가 손상되는 것을 방지하는 측면에서 스퍼터링(rf 스퍼터링)시의 rf 파워는 40W 이하, 구체적으로 30 내지 35W 수준일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 코어-쉐스 구조의 나노와이어에서 쉐스의 두께, 즉, 안티모니가 증착되는 양은 목적하는 합금의 조성을 만족할 수 있는 양(두께)이면 족하며, 이는 스퍼터링 수행 시간등에 의해 용이하게 조절될 수 있다. After step b) is performed, step (c) of preparing a bismuth-antimony core-sheath nanowire by depositing antimony on the surface of the bismuth nanowire prepared in step b) may be performed. . Deposition of antimony may also be performed using physical vapor deposition including sputtering. At this time, in terms of preventing damage to the bismuth nanowire, which is a single crystal, during the deposition process, the rf power during sputtering (rf sputtering) may be 40W or less, specifically 30 to 35W level, but is not necessarily limited thereto. In the core-sheath structure nanowire, the thickness of the sheath, that is, the amount of antimony deposited, is sufficient as long as the amount (thickness) can satisfy the composition of the desired alloy, which can be easily controlled by the sputtering execution time.

c) 단계에서 코어-쉐쓰 나노와이어를 형성한 후, d) 단계의 제2열처리를 통해 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어가 제조될 수 있다. 제2열처리는 쉐스의 안티모니를 비스무스 코어 내부로 확산시켜 합금을 형성하기 위한 열처리일 수 있다. 제2열처리는 하기 식 4를 만족하는 온도에서 수행될 수 있다. After forming the core-sheath nanowire in step c), the bismuth-antimony binary alloy nanowire may be manufactured through the second heat treatment in step d). The second heat treatment may be a heat treatment for forming an alloy by diffusing the antimony of the sheath into the bismuth core. The second heat treatment may be performed at a temperature satisfying Equation 4 below.

(식 4)(Equation 4)

Tm(Bi) - 55℃ ≤ T ≤ Tm(Bi) + 40℃T m (Bi) - 55℃ ≤ T ≤ T m (Bi) + 40℃

식 4에서 T는 제2열처리 온도(℃)이며, Tm(Bi)는 비스무트의 녹는점(℃)으로, 상세하게, 대기압 하 녹는점일 수 있다. In Equation 4, T is the second heat treatment temperature (°C), and T m (Bi) is the melting point (°C) of bismuth, and specifically, it may be the melting point under atmospheric pressure.

상술한 바와 같이, 합금형태의 n형 열전 나노와이어의 조성은 반금속-반도체 전이 현상에 직접적으로 영향을 미친다. 이에, 우수한 제백 계수를 갖는 n형 열전 나노와이어가 제조되기 위해서는 무엇보다도 나노와이어의 중심부와 가장자리간 조성 유의미한 조성차가 존재하지 않는, 균질한 조성의 합금이 형성되는 것이 좋다. 그러나, 바깥 껍질에 존재하는 안티모니가 안티모니의 공급원으로 작용하여 내부의 비스무트쪽으로 확산되는 것임에 따라 매우 장시간 열처리를 수행하여도 나노와이어의 가장자리 영역에서 중심부보다 안티모니의 농도가 높은 나노와이어가 제조될 위험이 높다. As described above, the composition of the n-type thermoelectric nanowire in the form of an alloy directly affects the semi-metal-semiconductor transition phenomenon. Accordingly, in order to manufacture an n-type thermoelectric nanowire having an excellent Seebeck coefficient, above all, it is preferable to form an alloy having a homogeneous composition in which a significant composition difference does not exist between the center and the edge of the nanowire. However, since the antimony present in the outer shell acts as a source of antimony and diffuses toward the inner bismuth, even when heat treatment is performed for a very long time, the nanowire with a higher antimony concentration than the center in the edge region of the nanowire There is a high risk of being manufactured.

이러한 조성 불균일성을 방지하고, 실질적으로, 나노와이어 중심부와 가장자리 영역간 균질한 조성을 갖는 비스무트-안티모니 합금이 형성되며 보다 향상된 결정성을 갖는 단결정체의 나노와이어가 제조될 수 있도록, d) 단계의 제2열처리는 Tm(Bi) 보다 낮은 온도에서 수행되는 저온 열처리와 Tm(Bi) 보다 높은 온도에서 수행되는 고온 열처리를 포함할 수 있으며, 제2열처리시, 저온 열처리와 고온 열처리가 교번 수행될 수 있다. 상세하게, 저온 열처리의 열처리 온도(T(L), ℃)는 Tm(Bi) - 55℃ ≤ T(L) < Tm(Bi), 보다 상세하게, m(Bi) - 40℃ ≤ T(L) ≤ Tm(Bi) - 10℃일 수 있으며, 고온 열처리의 열처리 온도(T(H), ℃)는 Tm(Bi) ≤ T ≤ Tm(Bi) + 40℃, 보다 상세하게, Tm(Bi) + 5℃ ≤ T ≤ Tm(Bi) + 30℃일 수 있다. 저온 열처리와 고온 열처리의 교번시, 일 단위 고온 열처리 시간(t(H))은 일 단위 저온 열처리 시간(t(L))의 0.1 내지 0.4배(t(H)=0.1~0.4t(L))일 수 있으며, 제2열처리 과정에서 일 단위 저온 열처리와 일 단위 고온 열처리가 교번되는 횟수는 2 내지 5회일 수 있다. 이때, 제2열처리 시간(총 열처리 시간)은 2 내지 48시간 수준일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. To prevent such compositional non-uniformity, and substantially to form a bismuth-antimony alloy having a homogeneous composition between the nanowire central and edge regions, and to produce a single-crystal nanowire with improved crystallinity, the second step of step d) The second heat treatment may include a low temperature heat treatment performed at a temperature lower than T m (Bi) and a high temperature heat treatment performed at a temperature higher than T m (Bi). can Specifically, the heat treatment temperature (T(L), ℃) of the low-temperature heat treatment is T m (Bi) - 55 ° C ≤ T (L) < T m (Bi), more specifically, m (Bi) - 40 ° C ≤ T (L) ≤ T m (Bi) - may be 10 ℃, the heat treatment temperature of the high-temperature heat treatment (T (H), ℃) is T m (Bi) ≤ T ≤ T m (Bi) + 40 ℃, more specifically , T m (Bi) + 5 °C ≤ T ≤ T m (Bi) + 30 °C. When alternating between low-temperature heat treatment and high-temperature heat treatment, the daily high-temperature heat treatment time (t(H)) is 0.1 to 0.4 times (t(H)=0.1-0.4t(L)) of the daily low-temperature heat treatment time (t(L)) ), and the number of times of alternating low-temperature heat treatment per day and high-temperature heat treatment per day in the second heat treatment process may be 2 to 5 times. In this case, the second heat treatment time (total heat treatment time) may be 2 to 48 hours, but is not necessarily limited thereto.

본 발명은 상술한 제조방법으로 제조된 n-형 열전 나노와이어를 포함한다.The present invention includes an n-type thermoelectric nanowire manufactured by the above-described manufacturing method.

상술한 바와 같이, 본 발명은 우수한 n-형 열전 특성을 갖는 열전 나노와이어 및 상업성 및 재현성 있는 열전 나노와이어의 제조방법을 제공한다. 또한 본 발명에서 제공하는 n-형 열전 나노와이어를 이용한 열전소자는 초고효율 열전효과를 가지므로 새로운 발전시스템을 개발할 수 있는 기초를 제공한다. 아울러, 본 발명의 기술을 이용함으로써 공중 무기체계(전투기, 헬기 등), 개인병사 무기체계(무전기, 레이더 등), 핵잠수함, 우주용 발전기, 발열기, 항공용 열조절장치, 군사용 적외선 탐지기, 미사일 유도용 회로 냉각기 등 다양한 분야에서 한 차원 높은 발전을 가져올 수 있다.As described above, the present invention provides a thermoelectric nanowire having excellent n-type thermoelectric properties and a commercial and reproducible method for manufacturing a thermoelectric nanowire. In addition, since the thermoelectric element using the n-type thermoelectric nanowire provided in the present invention has an ultra-high-efficiency thermoelectric effect, it provides a basis for developing a new power generation system. In addition, by using the technology of the present invention, aerial weapon systems (fighters, helicopters, etc.), individual soldier weapon systems (walkie-talkie, radar, etc.), nuclear submarines, space generators, heat generators, aviation thermostats, military infrared detectors, missiles It can bring a higher level of development in various fields such as induction circuit coolers.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. However, the following examples are only provided for easier understanding of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

(실시예)(Example)

SiO2 표면 산화층(400nm 두께)이 형성된 Si 기판을 준비한 후, rf 스퍼터링 법으로 상기 산화층의 상부에 Bi 박막을 증착하였다. 이때, 스퍼터링 조건은 1.0 ㅧ 10-3 torr 이하의 진공상태에서 150W(rf), Ar 유량은 12sccm 그리고 증착시간은 10초로 하였다. 이후, Bi 박막이 형성된 기판을 1.0 ㅧ 10-5 torr 이하의 고진공 상태에서 250℃로 5시간 동안 열처리함으로써 Bi 단결정 나노와이어를 성장시켰다. After preparing a Si substrate on which a SiO 2 surface oxide layer (400 nm thick) was formed, a Bi thin film was deposited on the oxide layer by rf sputtering. At this time, the sputtering conditions were 150W (rf), the Ar flow rate was 12 sccm, and the deposition time was 10 seconds in a vacuum of 1.0 ㅧ 10 -3 torr or less. Thereafter, Bi single crystal nanowires were grown by heat-treating the substrate on which the Bi thin film was formed at 250° C. for 5 hours in a high vacuum of 1.0 Ⅷ 10 −5 torr or less.

rf 스퍼터링 법으로 Bi 단결정 나노와이어가 성장된 기판에 열전재료인 Sb를 증착시켜 코어-쉐스 나노와이어를 제조하였다. Sb 증착시 나노와이어의 결정성을 손상시키지 않기 위해 최대한 낮은 파워인 30W(rf)를 이용하였으며, Ar 유랑은 12sccm이었고, Bi0.84Sb0.16 조성을 만족하도록 10초 동안 Sb 증착을 수행하였다.Core-sheath nanowires were manufactured by depositing Sb, a thermoelectric material, on a substrate on which Bi single crystal nanowires were grown by rf sputtering. In order not to damage the crystallinity of the nanowires during Sb deposition, the lowest power of 30 W (rf) was used, the Ar flow was 12 sccm, and Sb deposition was performed for 10 seconds to satisfy the Bi 0.84 Sb 0.16 composition.

코어-쉐스 나노와이어의 비스무트와 인티모니 원소의 상호확산을 통한 합금 형 나노와이어를 제조하기 위해, 1.0 ㅧ 10-5 torr 이하의 고진공 상태에서 265℃ 3시간의 저온열처리와 290℃ 1시간의 고온열처리 공정을 단위 공정으로 하여, 단위 공정을 4회 반복수행하여 합금 나노와이어를 제조하였다. In order to produce alloy-type nanowires through interdiffusion of bismuth and intimony elements of core-sheath nanowires, low-temperature heat treatment at 265°C for 3 hours and high temperature at 290°C for 1 hour in a high vacuum of 1.0 x 10 -5 torr or less Using the heat treatment process as a unit process, the unit process was repeated 4 times to prepare an alloy nanowire.

도 1은 제조된 코어/쉐스 나노와이어의 투과전자현미경(TEM) 및 주사투과전자현미경(STEM) 사진 및 원소 분석 결과를 나타낸 도면으로, 1(a)는 저배율 TEM 사진, 도 1(b)는 고배율 STEM 사진, 도 1(c)는 Bi 원소 맵핑, 도 1(d)는 Sb 원소 맵핑을 도시한 도면이다. 도 1에서 알 수 있듯이, Bi 나노와이어에 Sb 껍질이 균일하게 잘 형성되었음을 확인할 수 있다. 1 is a view showing a transmission electron microscope (TEM) and a scanning transmission electron microscope (STEM) photograph and elemental analysis results of the prepared core / sheath nanowire, 1 (a) is a low magnification TEM photograph, Figure 1 (b) is A high-magnification STEM photograph, FIG. 1 ( c ) is a diagram illustrating Bi element mapping, and FIG. 1 ( d ) is a diagram illustrating Sb element mapping. As can be seen from Figure 1, it can be confirmed that the Sb shell is uniformly well formed on the Bi nanowire.

도 2는 제조된 비스무트-안티모니 합금 나노와이어의 투과전자현미경(TEM) 및 주사투과전자현미경(STEM) 사진 및 원소 분석 결과를 나타낸 도면으로, 2(a)는 저배율 TEM 사진, 도 2(b)는 고배율 STEM 사진, 도 2(c)는 Bi 원소 맵핑, 도 2(d)는 Sb 원소 맵핑을 도시한 도면이다. 도 2를 통해 균일한 직경을 가지며 매끈한 표면을 갖는 비스무트-안티모니 합금 나노와이어가 제조됨을 알 수 있으며, 안티모니와 비스무트의 상호 확산에 의해 균질하게 합금화가 된 것을 알 수 있다. 2 is a transmission electron microscope (TEM) and scanning transmission electron microscope (STEM) photograph and elemental analysis results of the prepared bismuth-antimony alloy nanowire, 2(a) is a low-magnification TEM photograph, FIG. 2(b) ) is a high-magnification STEM photograph, FIG. 2(c) is a Bi element mapping, and FIG. 2(d) is a diagram illustrating an Sb element mapping. It can be seen from FIG. 2 that a bismuth-antimony alloy nanowire having a uniform diameter and a smooth surface is manufactured, and it can be seen that the bismuth-antimony alloy nanowire is homogeneously alloyed by mutual diffusion of antimony and bismuth.

도 3은 제조된 비스무트-안티모니 합금 나노와이어의 주사투과전자현미경(STEM) 사진(도 3(a)) 및 STEM 이미지에서 노란색 선을 따라 분석된 비스무트와 안티모니의 EDS 라인 프로파일을 도시한 도면(3(b))이다. 도 3(b)에서 알 수 있듯이, 나노와이어 전 영역에 걸쳐 표면에서 중심까지 비스무트의 강도를 안티모니의 강도로 나눈 비가 실질적으로 동일하여 Bi0 . 84Sb0 .16의 균질한 조성으로 합금화가 이루어졌음을 알 수 있다.3 is a scanning transmission electron microscope (STEM) photograph of the prepared bismuth-antimony alloy nanowire (FIG. 3(a)) and an EDS line profile of bismuth and antimony analyzed along the yellow line in the STEM image. (3(b)). As can be seen from FIG. 3(b), the ratio of the strength of bismuth divided by the strength of antimony from the surface to the center over the entire area of the nanowire is substantially the same, so that Bi 0 . It can be seen that alloying was made with a homogeneous composition of 84 Sb 0.16 .

도 4(a)는 제조된 비스무트-안티모니 합금 나노와이어(도의 NW Bi0.84Sb0.16)의 전기전도도와 제백 계수를 측정하는 플랫폼을 도시한 주사전자현미경 사진이며, 도 4(b)는 제조된 비스무트-안티모니 합금 나노와이어의 전기전도도를 도시한 도면이며, 도 4(c)는 제조된 비스무트-안티모니 합금 나노와이어의 제백 계수를 측정 도시한 도면이다. 도 4(b) 및 도 4(c)에서 실시예에서 안티모니 증착 전, 단결정체의 Bi 나노와이어(도의 NW Bi(ref)로 도시), 실시예와 동일한 합금 조성을 갖되, 벌크의 BiSb 합금(도의 bulk Bi0 . 84Sb0 . 16(Ref))의 전기전도도와 제백 계수를 함께 도시하였다. 도 4에서 알 수 있듯이, 제조된 비스무트-안티모니 합금 나노와이어의 전기전도도가 3.29x103 Sm-1로, 동일 조성의 벌크 상이 갖는 전기전도도와 유사하여 전기전도도의 열화가 거의 발생하지 않음을 알 수 있으며, 합금화 및 나노와이어화에 의해 제백 계수 -128 μVK-1로 현저하게 증가함을 알 수 있다. Figure 4 (a) is a scanning electron micrograph showing a platform for measuring the electrical conductivity and Seebeck coefficient of the prepared bismuth-antimony alloy nanowire (NW Bi 0.84 Sb 0.16 in the figure), Figure 4 (b) is the manufactured It is a view showing the electrical conductivity of the bismuth-antimony alloy nanowire, and FIG. 4 ( c ) is a view showing the measurement of the Seebeck coefficient of the prepared bismuth-antimony alloy nanowire. 4 (b) and 4 (c) in the Example, before antimony deposition, single crystal Bi nanowires (shown as NW Bi (ref) in the figure), have the same alloy composition as in the Example, but bulk BiSb alloy ( The electrical conductivity and Seebeck coefficient of bulk Bi 0.84 Sb 0. 16 (Ref ) in the figure are shown together . As can be seen from FIG. 4, the electrical conductivity of the prepared bismuth-antimony alloy nanowire is 3.29x10 3 Sm -1 , which is similar to the electrical conductivity of the bulk phase of the same composition, so that deterioration of the electrical conductivity hardly occurs. It can be seen that the Seebeck coefficient -128 μVK -1 is significantly increased by alloying and nanowireization.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described with specific matters and limited examples and drawings, but these are only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims described below, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .

Claims (10)

비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어이며, 비스무트와 안티모니의 고용상(solid solution) 또는 초격자(superlattice) 구조의 단결정체이고, 하기 식 1 및 식 2를 만족하는 합금기반 n-형 열전 나노와이어.
(식 1)
1x103 Sm-1 ≤ EC ≤ 1x104 Sm-1
(식 1에서 EC는 상기 2원계 합금 나노와이어의 전기전도도(electrical conductivity, Sm-1)이다)
(식 2)
Z ≤ - 120 μVK-1
(식 2에서 Z는 2원계 상기 2원계 합금 나노와이어의 제벡 계수(Seebeck Coefficient, μVK-1)이다)
It is a bismuth-antimony binary alloy nanowire, a single crystal of a solid solution or superlattice structure of bismuth and antimony, and an alloy-based n-type thermoelectric nano that satisfies Equations 1 and 2 below. wire.
(Equation 1)
1x10 3 Sm -1 ≤ EC ≤ 1x10 4 Sm -1
(In Equation 1, EC is the electrical conductivity of the binary alloy nanowire (electrical conductivity, Sm -1 ))
(Equation 2)
Z ≤ - 120 μVK -1
(In Equation 2, Z is the Seebeck coefficient of the binary alloy nanowire (Seebeck Coefficient, μVK -1 ))
제 1항에 있어서,
상기 2원계 합금에서 비스무트 : 안티모니의 원소비는 1 : 0.1 내지 0.3인 합금기반 n-형 열전 나노와이어.
The method of claim 1,
In the binary alloy, the element ratio of bismuth: antimony is 1: 0.1 to 0.3 alloy-based n-type thermoelectric nanowire.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 2원계 합금 나노와이어의 길이 방향에 수직으로 나노와이어를 가로지르는 가상의 분석선에 따른, 에너지 분산 X 선 분광법을 이용한 원소별 강도 분석 결과인 라인 프로파일(line profile)이 하기 식 3을 만족하는 합금기반 n-형 열전 나노와이어.
(식 3)
0.9 ≤ I2/I1 ≤ 1
(식 3에서 I1은 나노와이어에 위치하는 분석선을 유효 분석선으로 하고 유효 분석선의 길이를 D로 하여, 유효 분석선의 중심 내지 0.1D/2의 영역에서의 비스무스 강도를 안티모니 강도로 나눈 강도비이며, I2는 유효 분석선의 중심을 원점(0)으로, 0.5D/2 내지 D/2의 영역에서의 비스무스 강도를 안티모니 강도로 나눈 강도비이다)
The method of claim 1,
A line profile, which is a result of strength analysis for each element using energy dispersive X-ray spectroscopy, along a virtual analysis line crossing the nanowire perpendicular to the longitudinal direction of the binary alloy nanowire, satisfies the following Equation 3 Alloy-based n-type thermoelectric nanowires.
(Equation 3)
0.9 ≤ I2/I1 ≤ 1
(In Equation 3, I1 is the intensity obtained by dividing the bismuth intensity by the antimony intensity in the region from the center of the effective analysis line to 0.1D/2 by using the analysis line located on the nanowire as the effective analysis line and the length of the effective analysis line as D. ratio, where I2 is the intensity ratio obtained by dividing the center of the effective analysis line with the origin (0) and the bismuth intensity in the region of 0.5D/2 to D/2 divided by the antimony intensity)
제 1항에 있어서,
상기 나노와이어의 단축 직경은 50 내지 500nm인 합금기반 n-형 열전 나노와이어.
The method of claim 1,
An alloy-based n-type thermoelectric nanowire having a minor axis diameter of 50 to 500 nm of the nanowire.
제 1항 내지 제 2항 및 제 4항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 따른 n-형 열전 나노와이어의 제조방법으로,
a) 산화물층을 갖는 기판 상에 비스무트 박막을 형성하는 단계;
b) 비스무트 박막이 형성된 기판을 제1열처리하여 단결정체인 비스무트 나노와이어를 성장시키는 단계;
c) 비스무트 나노와이어 표면에 안티모니를 증착하여 비스무트-안티모니 코어-쉐스(sheath) 나노와이어를 제조하는 단계; 및
d) 비스무트-안티모니 코어-쉐스(sheath) 나노와이어를 제2열처리하여 비스무트와 안티모니의 고용상(solid solution) 또는 초격자(superlattice) 구조의 단결정체인 비스무트-안티모니 2원계 합금 나노와이어를 제조하는 단계;
를 포함하는 합금기반 n-형 열전 나노와이어의 제조방법.
A method for manufacturing an n-type thermoelectric nanowire according to any one of claims 1 to 2 and 4 to 5,
a) forming a bismuth thin film on a substrate having an oxide layer;
b) growing a single crystal bismuth nanowire by first heat-treating the substrate on which the bismuth thin film is formed;
c) depositing antimony on the surface of the bismuth nanowire to prepare a bismuth-antimony core-sheath nanowire; and
d) A bismuth-antimony core-sheath nanowire is subjected to a second heat treatment to obtain a bismuth-antimony binary alloy nanowire, which is a solid solution of bismuth and antimony or a single crystal having a superlattice structure. manufacturing;
A method of manufacturing an alloy-based n-type thermoelectric nanowire comprising a.
제 6항에 있어서,
상기 기판의 열팽창 계수를 산화물층의 열팽창 계수로 나눈 비는 3 이상인 n-형 열전 나노와이어의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The ratio of the coefficient of thermal expansion of the substrate divided by the coefficient of thermal expansion of the oxide layer is 3 or more.
제 6항에 있어서,
상기 b) 단계의 제1열처리는 비스무트의 녹는점(℃)인 Tm(Bi)를 기준으로, 0.9 내지 0.95 Tm(Bi)에서 수행되는 n-형 열전 나노와이어의 제조방법.
7. The method of claim 6,
The first heat treatment in step b) is performed at 0.9 to 0.95 T m (Bi) based on T m (Bi), which is the melting point (°C) of bismuth.
제 6항에 있어서,
상기 d) 단계의 제2열처리는 하기 식 4를 만족하는 온도에서 수행되는 n-형 열전 나노와이어의 제조방법.
(식 4)
Tm(Bi) - 55℃ ≤ T ≤ Tm(Bi) + 40℃
(식 4에서 T는 제2열처리 온도(℃)이며, Tm(Bi)는 비스무트의 녹는점(℃)이다)
7. The method of claim 6,
The second heat treatment of step d) is a method of manufacturing an n-type thermoelectric nanowire is performed at a temperature that satisfies Equation 4 below.
(Equation 4)
T m (Bi) - 55℃ ≤ T ≤ T m (Bi) + 40℃
(In Equation 4, T is the second heat treatment temperature (℃), and T m (Bi) is the melting point of bismuth (℃))
제 9항에 있어서,
상기 d) 단계의 제2열처리는 Tm(Bi) 보다 낮은 온도에서 수행되는 저온 열처리와 Tm(Bi) 보다 높은 온도에서 수행되는 고온 열처리를 포함하며, 저온 열처리와 고온 열처리가 교번 수행되는 n-형 열전 나노와이어의 제조방법.
10. The method of claim 9,
The second heat treatment in step d) includes a low temperature heat treatment performed at a temperature lower than T m (Bi) and a high temperature heat treatment performed at a temperature higher than T m (Bi), wherein the low temperature heat treatment and the high temperature heat treatment are alternately performed n -Manufacturing method of type thermoelectric nanowire.
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