KR20090110831A - Methods for high figure-of-merit in nanostructured thermoelectric materials - Google Patents

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Abstract

Thermoelectric materials with high figures of merit, ZT values, are disclosed In many instances, such materials include nano-sized domains (e g, nanocrystalhne), which are hypothesized to help increase the ZT value of the material (e g, by increasing phonon scattering due to interfaces at grain boundaries or grain/inclusion boundaries) The ZT value of such materials can be greater than about 1, 1.2, 1.4, 1.5, 1.8, 2 and even higher Such materials can be manufactured from a thermoelectric starting material by generating nanoparticles therefrom, or mechanically alloyed nanoparticles from elements which can be subsequently consolidated (e g, via direct current induced hot press) into a new bulk material Non-limiting examples of starting materials include bismuth, lead, and/or silicon-based materials, which can be alloyed, elemental, and/or doped Various compositions and methods relating to aspects of nanostructured theromoelect'c materials (e g, modulation doping) are further disclosed.

Description

나노 구조의 열전 재료에서의 높은 성능 지수를 위한 방법 {Methods for high figure-of-merit in nanostructured thermoelectric materials}Methods for high figure-of-merit in 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 부분-계속 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 이권을 청구한다. 이들 출원 모두의 내용은 본원 명세서에 참조로 인용된다.This application is a partial-continued application of US patent application Ser. No. 10 / 977,363, filed October 29, 2004, entitled "Nanocomposites with High Thermoelectric Figures of Merit." US Provisional Application No. 60 / filed Dec. 1, 2006, entitled "Methods for High Figure-of-Merit in Nanostructured Thermoelectric Materials," entitled "Methods for High Figure-of-Merit in Nanostructured Thermoelectric Materials." Claims 872,242. The contents of all these applications are incorporated herein by reference.

본 출원은 일반적으로 열전 재료 및 이의 제조 방법과, 보다 특히는, 개선된 열전 특성을 나타내는 열전 재료에 관한 것이다.The present application generally relates to thermoelectric materials and methods for their preparation, and more particularly to thermoelectric materials exhibiting improved thermoelectric properties.

물질의 열전 특성은 Z = S2σ/k(여기서, S는 제에벡 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 property of a material is the figure of merit Z (or no), defined as Z = S 2 σ / k, where S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, and k is the total thermal conductivity. It can be characterized by an amount called the dimensional performance index ZT). It is desirable to prepare materials with high ZT values (with low thermal conductivity k and / or high power factor S 2 σ). By way of example, such materials can be used to fabricate potentially high quality power generation and cooling devices.

발명의 요지The gist of the invention

한 측면으로, 본 발명은 열전 벌크 물질과 같은 출발 물질로부터 다수의 나노 입자를 생성하고, 승온에서 감압하에 이들 나노 입자를 고화(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 produces a plurality of nanoparticles from a starting material, such as a thermoelectric bulk material, and consolidates these nanoparticles under reduced pressure at elevated temperatures, for example, less than about 2000 ° C., less than about 1000 ° C. And a method for producing a thermoelectric material by forming a thermoelectric material exhibiting a ZT value higher than the thermoelectric starting material at a temperature below about 600 ° C., below about 200 ° C. or below about 20 ° C. 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 "나노 입자"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 및 보다 바람직하게는 약 1 내지 약 100 ㎚의 범위일 수 있다. 나노 입자는, 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 나노 입자를 성취하기 위하여 사용될 수 있다. 임의로, 입자의 크기를 다시 감소시키기 위하여, 나노 입자를 생성하면서, 냉각이 또한 사용(예를 들면, 이를 연삭하면서 출발 물질을 냉각시킴)될 수 있다. 나노 입자를 생성시키는 다른 방법은 기체상으로부터의 응축, 습식 화학 방법 및 나노 입자를 형성하는 다른 방법을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 상이한 원소 물질(예를 들면, 비스무트 또는 텔루륨)의 나노 입자를 별도로 생성시킨 다음, 하기 다시 논의되는 바와 같이, 생성된 열전 재료로 고화시킬 수 있다.The term “nanoparticles” is generally known in the art, which has a size (eg, average or maximum size) in the range of less than about 1 micron, for example, from about 1 to about 1000 nm. Used to mean material particles. Preferably, the size may be less than about 500 nm, preferably in the range of about 1 to about 200 nm and more preferably in the range of about 1 to about 100 nm. Nanoparticles can be produced, for example, by grinding the starting material into nano-sized pieces (eg, grinding using dry milling, wet milling or other suitable technique). In one example, ball milling can be used to achieve the desired nanoparticles. Optionally, cooling can also be used (eg, cooling the starting material while grinding it), while producing nanoparticles, in order to reduce the size of the particles again. Other methods of producing nanoparticles may include condensation from the gas phase, wet chemical methods, and other methods of forming nanoparticles. In some cases, nanoparticles of different elemental materials (eg, bismuth or tellurium) may be produced separately and then solidified with the resulting thermoelectric material, as discussed again below.

나노 입자들은 생성된 열전 재료를 형성하기에 충분한 나노 입자들 사이의 전기적 커플링을 유도하기 위하여 선택된 온도 및 선택된 압력하에 고화시킬 수 있다. 예로서, 전류 유도 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 나노 입자의 고화를 성취하기 위하여 사용될 수 있다. 선택되는 압력은, 예를 들면, 약 10 내지 약 900 ㎫의 범위 또는 약 40 내지 약 300 ㎫의 범위 및 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.Nanoparticles can solidify under selected temperature and selected pressure to induce electrical coupling between nanoparticles sufficient to form the resulting thermoelectric material. For example, the current drawn (known as The plasma pressure compression, "P 2 C (plasma pressure compaction)", or spark plasma sintering, SPS (spark plasma sintering)) hot press temperature compression comprising a unidirectional hot pressing And an isothermal hot press process can be used to achieve the solidification of the nanoparticles. The pressure selected can be, for example, in the range of about 10 to about 900 MPa or in the range of about 40 to about 300 MPa and preferably in the range of about 60 to about 200 MPa. The temperature selected is in the case of a Bi 2 Te 3 based material, for example, in the range of about 200 to about the melting point of the thermoelectric material (eg, 200 to about 2000 ° C.) or in the range of about 400 to about 1200 ° C. or about 400 To about 600 ° C or about 400 to about 550 ° C.

관련된 측면에 있어서, 상기 방법에서, 나노 입자의 고화는 각각의 이론 밀도의 약 90 내지 약 100%의 범위의 밀도를 나타내는 재료를 제공하기 위하여 나노 입자를 압축시킴(예를 들면, 다공도가 약 10% 미만 또는 약 1% 미만)을 의미한다.In a related aspect, in the method, the solidification of the nanoparticles compresses the nanoparticles (eg, porosity of about 10 to provide a material exhibiting a density ranging from about 90 to about 100% of each theoretical density). Less than 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 및 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, as discussed above, the thermoelectric material produced by the method of the present invention has a ZT value (eg, a peak ZT value) of about 1 or more, about 1.2 or more, about 1.4 or more, preferably At least about 1.5 and most preferably at least about 2. Further, in many embodiments, the thermoelectric material is high at a certain operating temperature, which may depend, for example, on the melting point of the material, for example, at a temperature below about 300 ° C. for Bi 2 Te 3 based materials. ZT values are shown. The increased ZT value may also depend on the level of doping 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 나노 입자를 생성하고, 이들 나노 입자를 고화시킴으로써 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 (eg, starting bulk material or fluidic material for particle synthesis) exhibits a ZT value of less than about 1 and optionally greater than about 0.1, producing nanoparticles from the starting material, The final thermoelectric material obtained by solidifying these nanoparticles (eg, grinding the starting material by grinding or other suitable technique) may comprise at least about 1, at least about 1.1, at least about 1.2, at least about 1.3, at least about 1.4, ZT values of at least about 1.5 or at least about 2.

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.Various thermoelectric materials can be used as starting materials in the practice of the present invention. The starting material of the thermoelectric material may be p-doped or n-doped. Examples of starting materials for thermoelectric materials include, but are not limited to, bismuth based, lead based or silicon based materials. For example, starting materials for thermoelectric materials include bismuth-antimony-tellurium alloys, bismuth-selenium-tellurium alloys, lead-tellurium alloys, lead-selenium alloys, or silicon-germanium (eg, SiGe) alloys. It may include. By way of 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. Or, in some other embodiments, the starting material of the thermoelectric material is Bi x Sb 2 - may be a 3 x Te alloy, wherein x is in the range of about 0 to about 0.8. In some embodiments, starting materials of thermoelectric materials having a polycrystalline structure may be used, which may optionally include an average grain size (eg, at least about 1 micron).

다른 측면에 있어서, 나노 입자는, 생성된 나노 입자가 크기(예를 들면, 평균 또는 최대 크기)가 약 1000 ㎚ 미만 또는 약 500 ㎚ 미만이거나, 약 200 ㎚ 미만 및 바람직하게는 약 100 ㎚ 미만, 예를 들면, 약 1 내지 약 200 ㎚의 범위 또는 약 1 내지 약 100 ㎚의 범위 및 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 (eg, average or maximum size) of the resulting nanoparticles of less than about 1000 nm or less than about 500 nm, or less than about 200 nm and preferably less than about 100 nm, For example, it may be produced from the starting material of the thermoelectric material to be in the range of about 1 to about 200 nm or in the range of about 1 to about 100 nm and preferably in the range of about 1 to about 50 nm. Such particle size may be produced by any of the techniques discussed herein, such as grinding the starting material by ball milling or other suitable technique.

관련된 측면에 있어서, 상기 방법에서, 상기 나노 입자들을, 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 나노 입자들을, 결과물인 열전 재료가 생성될 수 있도록 하기에 충분한 시간 동 안 저압 또는 주위 압력에서 유지시키면서, 선택된 온도를 적용시킨다. 다른 측면에 있어서, 상기 나노 입자들을 실온에서 고압하에 고화시켜 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, for example, under pressure for a time ranging from about 1 second to about 10 hours, to produce a resulting thermoelectric material with improved thermoelectric properties. Let's do it. In another aspect, the selected temperature is applied while maintaining the nanoparticles 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 solidified under high pressure at room temperature to form a sample having a high theoretical density (eg, about 100%) and then annealed at high temperature to form the final thermoelectric material.

다른 측면은 다수의 나노 입자를 생성함을 포함하는 열전 재료의 형성법에 관한 것이다. 예로서, 나도 입자들은 하나 이상의 벌크 원소 물질을 연삭함으로써 생성시킬 수 있다. 예를 들면, 나노 입자들은, 두 개 이상의 상이한 벌크 원소 물질, 예를 들면, 비스무트와 텔루륨, 비스무트와 셀레늄, 안티몬과 텔루륨, 안티몬과 셀레늄, 및 규소와 게르마늄을 가공 가능한 비로 연삭하여 생성시킬 수 있다. 이러한 경우에, 두 개 이상의 유형의 나노 입자가 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 나노 입자 또는 별도로 생성된 나노 입자를 사용하여 형성된 나노 입자의 혼합물을, ZT 값이 약 1 이상인 결과물인 열전 재료를 생성하기 위하여, 압력하에 승온에서 압축할 수 있다. 도펀트를 임의로 나노 입자의 혼합물에 가할 수 있다. 다른 양태에 있어서, 나노 입자들을, 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 producing a plurality of nanoparticles. As an example, even particles may be produced by grinding one or more bulk elemental materials. For example, nanoparticles can be produced by grinding at least two different bulk elemental materials, such as bismuth and tellurium, bismuth and selenium, antimony and tellurium, antimony and selenium, and silicon and germanium in a workable ratio. Can be. In this case, two or more types of nanoparticles may be formed. If different types of particles are produced separately, these particles can be mixed and ground again (eg by a ball mill) to form mechanically alloyed particles. Alternatively, all of the various bulk materials can be ground simultaneously to form mechanically alloyed particles. A mixture of nanoparticles formed using mechanically alloyed nanoparticles from elements, compounds or alloys or separately produced nanoparticles can be compressed at elevated temperature under pressure to produce the resulting thermoelectric material with a ZT value of at least about 1. have. Dopants may optionally be added to the mixture of nanoparticles. In another embodiment, the nanoparticles are particles from a raw material having a good ZT value (eg, about 0.5 or greater) and / or micron-sized particles (eg, an average size of about 1 to about 10, Particles of other types, such as 50, 100 or 500 microns).

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

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 that is less than about 2000 ° C, or less than about 1000 ° C, or less than about 600 ° C, or less than about 200 ° C, or less than about 20 ° C. In addition, the average grain size may range from about 1 to about 500 nm. The structure may be substantially free of grain greater than about 500 nm (eg substantially free of grains having an average and / or maximum dimension greater than about 500 nm), or of larger size grains (eg, approximately 1 μm 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, one or more of the grains comprises one or more precipitation zones or other inclusions in the particles, wherein the precipitation zones or other inclusions are, for example, in the range of about 1 to about 50 nm or about 1 to about It may have a size in the range of 20 nm. The precipitation zone may be characterized by different compositions and / or different phases for the same composition with different crystal directions and / or 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 및 바람직하게는 약 1% 미만의 다공도를 나타낼 수 있다.In another aspect, the thermoelectric material can have a density in the range of about 90 to about 100% of each density theory. By way of example, the thermoelectric material may exhibit a porosity of less than about 10% and 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 material has small crystal grains randomly oriented relative to each other (eg, an average size of less than about 500 nm, or less than about 200 nm, preferably in the range of about 1 to about 100 nm. Polycrystalline structure formed from

본 발명의 한 측면은 다수의 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 invention relates to thermoelectric materials that may include 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 zones or other types of inclusions. Such regions may have an average size of about 1 to about 100 nm, or about 1 to about 50 nm. The thermoelectric material may have a ZT value of at least about 1, at least about 1.2, at least about 1.5 or at least about 2. 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 ° C, or less than about 1000 ° C, or less than about 600 ° C, or less than about 200 ° C, or less than about 20 ° C. The grains may be formed from a variety of materials such as any combination of bismuth based alloys, lead based alloys and silicon based alloys.

본 발명의 다른 측면은 호스트 전체에 분산된 다수의 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, 예 를 들면, 호스트 물질 중 50%, 80%, 90% 및 바람직하게는 99%가 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 that is less than 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 (eg, a maximum size and / or average size in a particular dimension) that is at least about 1 micron or less than about 1 micron. In some embodiments, the host material is not excessively doped as in conventional thermoelectric materials, which means that a large portion of the charge carriers, such as 50%, 80%, 90% and preferably 99% of the host material, This 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 carrier concentration and / or charge carrier mobility that is greater 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 may have an energy band (eg, conduction band or valence band) for the charge carrier type having a higher energy than the associated energy band of the host material for the corresponding charge carrier type. It can be characterized by inclusions having. The thermoelectric material can optionally include a number of properties discussed herein with respect to the thermoelectric material. For example, the thermoelectric material may exhibit a ZT value 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, at least about 1.5, or at least about 2.

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

도 1A는 열전 재료중 다수의 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, with some grains comprising one or more precipitation zones, consistent with some aspects of the present invention;

도 1B는 본 발명의 일부 양태와 일치하는, 내부에 봉입된(embedded) 내포물을 갖는 호스트 물질의 도식적 다이아그램이고;1B is a schematic diagram of a host material having inclusions embedded therein, consistent with some aspects of the present disclosure;

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

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

도 3A는 도 2의 p-형 BiSbTe 나노 입자의 SEM 영상이고;3A is an SEM image of the p-type BiSbTe nanoparticle of FIG. 2;

도 3B는 도 2의 BiSbTe 나노 입자의 보다 낮은 해상도의 TEM 마이크로그래프이고;3B is a lower resolution TEM micrograph of the BiSbTe nanoparticle of FIG. 2;

도 3C는 도 3B에 도시된 BiSbTe 나노 입자의 보다 높은 해상도의 TEM 마이크로그래프이고;FIG. 3C is a higher resolution TEM micrograph of the BiSbTe nanoparticles shown in FIG. 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 p-형 BiSbTe 합금의 벌크 물질에 대한 전기 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;FIG. 5 is a graph showing the temperature dependence of electrical conductivity for thermoelectric materials made from the particles of FIG. 2 and bulk materials of the current state of the art p-type BiSbTe alloy, consistent with some embodiments;

도 6은 일부 양태와 일치하는, 도 2의 입자로부터 제조된 열전 재료 및 현재의 기술 상태의 p-형 BiSbTe 합금의 벌크 물질에 대한 제에벡 계수의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;FIG. 6 is a graph showing the temperature dependence of the Seebeck coefficients for thermoelectric materials made from the particles of FIG. 2 and bulk materials of the current state of the art p-type BiSbTe alloy, consistent with some embodiments;

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

도 8은 일부 양태와 일치하는, 도 2의 입자로부터 제조된 열전 재료 및 현재 의 기술 상태의 p-형 BiSbTe 합금의 벌크 물질에 대한 열 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;FIG. 8 is a graph showing the temperature dependence of thermal conductivity for thermoelectric materials prepared from the particles of FIG. 2 and bulk materials of the current state of the art p-type BiSbTe alloy, consistent with some embodiments;

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

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

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 prepared from the particles of FIG. 2, showing the nano size of densely packed nano grains; FIG.

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 grains larger than the nano grains 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 a thermoelectric material made from the particles of FIG. 2, illustrating the presence of nanodots; FIG.

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

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 an illustration of a TEM micrograph of a thermoelectric material made from the particles of FIG. 2, showing the Te diffraction, the electron diffraction pattern of the Te precipitate; FIG.

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

도 17은 일부 양태와 일치하는, p-형 SiGe 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 제에벡 계수의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;FIG. 17 is a graph showing the temperature dependence of the Seebeck coefficient for thermoelectric materials made from p-type SiGe bulk starting materials, consistent with some embodiments;

도 18은 일부 양태와 일치하는, p-형 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 thermoelectric materials prepared from p-type SiGe bulk starting materials, consistent with some embodiments;

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

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

도 21은 일부 양태와 일치하는, n-형 SiGe 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 제에벡 계수의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;FIG. 21 is a graph showing the temperature dependence of the Seebeck coefficient for thermoelectric materials prepared from n-type SiGe bulk starting materials, consistent with some embodiments;

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

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

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

도 25는 고온 압축 후 도 24의 입자의 TEM 마이크로그래프로서, 삽화는 샘플에 대한 상응하는 전자 회절 패턴을 도시한 것이고;FIG. 25 is a TEM micrograph of the particles of FIG. 24 after hot compression, with illustrations showing corresponding electron diffraction patterns for the samples; FIG.

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

도 27은 일부 양태와 일치하는, p-형 Bi0 .3Sb1 .7Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 전기 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;Figure 27 is consistent with some embodiments, p- type Bi 0 .3 1 .7 Sb Te 3 showing the temperature dependence of the electrical conductivity of the graph for the thermoelectric material prepared from the bulk starting material and;

도 28은 일부 양태와 일치하는, p-형 Bi0 .3Sb1 .7Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 제에벡 계수의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;Figure 28 is consistent with some embodiments, p- type Bi 0 .3 1 .7 Sb Te claim 3 illustrates the temperature dependence of the coefficient vectors in the graph for the thermoelectric material prepared from the bulk starting material and;

도 29는 일부 양태와 일치하는, p-형 Bi0 .3Sb1 .7Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 열 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;Figure 29 is consistent with some embodiments, p- type Bi 0 .3 1 .7 Sb Te 3 showing the temperature dependence of the thermal conductivity of the graph for the thermoelectric material prepared from the bulk starting material and;

도 30은 일부 양태와 일치하는, p-형 Bi0 .3Sb1 .7Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 성능 지수, ZT의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;Figure 30 is consistent with some embodiments, p- type Bi 0 .3 1 .7 Sb Te 3 merit for a bulk thermoelectric material prepared from the starting material, showing the temperature dependence of ZT and the graph;

도 31은 일부 양태와 일치하는, p-형 Bi0 .5Sb1 .5Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 전기 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;Figure 31 is consistent with some embodiments, p- type Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3 showing the temperature dependence of the electrical conductivity of the graph for the thermoelectric material prepared from the bulk starting material and;

도 32는 일부 양태와 일치하는, p-형 Bi0 .5Sb1 .5Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 제에벡 계수의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;Figure 32 is consistent with some embodiments, p- type Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3 showing the temperature dependence of the coefficient vectors in the graph for the thermoelectric material prepared from the bulk starting material and;

도 33은 일부 양태와 일치하는, p-형 Bi0 .5Sb1 .5Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 열 전도도의 온도 의존성을 도시한 그래프이고;Figure 33 is consistent with some embodiments, p- type Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3 showing the temperature dependence of the thermal conductivity of the graph for the thermoelectric material prepared from the bulk starting material and;

도 34는 일부 양태와 일치하는, p-형 Bi0 .5Sb1 .5Te3 벌크 출발 물질로부터 제조된 열전 재료에 대한 성능 지수, ZT의 온도 의존성을 도시한 그래프이다.34 is showing a, p- type Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3 the figure of merit, ZT for the temperature dependence of the thermoelectric material prepared from the bulk starting material that matches some aspect graph.

한 측면으로, 본 발명은 높은 ZT 값을 갖는 열전 재료 및 이러한 물질의 제조 방법에 관한 것이다. 일반적으로, 이러한 열전 재료는 통상적으로 다수의 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%, 약 10%, 약 15%, 약 20%, 약 25%, 약 30%, 약 40% 또는 약 50% 이상 감소시킬 수 있는 불리한 그레인들을 포함하지 않는다). 일부 양태는 평균 그레인 크기가 마이크론 오더(the order of micron: 예를 들면, 약 1 마이크론 보다 큼)인 다수의 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, 나노 입자 및/또는 다른 형태의 내포물을 포함하며; 이들 다양한 내포물은 동일 반응계내에서 화학 반응 및/또는 이러한 내포물의 삽입에 의해 형성될 수 있다. 추가의 양태는 다수의 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 present invention relates to thermoelectric materials having high ZT values and methods of making such materials. In general, such thermoelectric materials typically comprise a plurality of grains. Such grains can be present in the form of nano-sized grains, which can be obtained from bulk materials such as, for example, starting materials of thermoelectric materials. In general, thermoelectric materials consistent with aspects of the present invention may include grains of various sizes. For example, the thermoelectric material may have grains larger than 1 μm and grains smaller than 1 μm. In some embodiments, the thermoelectric material is substantially free of grain that may adversely affect the ZT value of the thermoelectric material (eg, about 5%, about 10%, about 15%, Does not include adverse grains that can be reduced by at least about 20%, about 25%, about 30%, about 40%, or about 50%). Some embodiments relate to thermoelectric materials having multiple grains with an average grain size of the order of micron (eg, greater than about 1 micron). In some cases, the thermoelectric material is substantially free of large grains. Non-limiting examples include grains greater than about 5000 nm, grains greater than 1000 nm, grains greater than 300 nm, grains greater than 100 nm, grains greater than 50 nm, grains greater than 20 nm, or grains greater than 10 nm. Include nonexistent ones. In many cases, such grains may optionally include one or more precipitation regions or other forms of inclusions, the average size being in the range of, for example, about 1 to about 50 nm. In some preferred embodiments, at least some, preferably substantially all of the grains comprise precipitation regions, nanoparticles and / or other forms of inclusions; These various inclusions may be formed by chemical reactions and / or insertion of such inclusions in situ. Further embodiments relate to materials having multiple grain sizes (eg, at least some are nano size grains and some grains are greater than 1 micron), where some grains optionally include precipitation regions or other types of inclusions. can do. In other words, the thermoelectric material of the present invention has sub-micron sized grains with or without precipitation zones, grains greater than 1 micron with or without precipitation zones (e.g., using modulation doping), Or any combination of a mixture of sub-micron grains with grains greater than 1 micron, with or without precipitation zones. Any of these grains can be formed by a number of mechanisms, including but not limited to formation of precipitation zones during material compaction, particle insertion into the host matrix, and / or formation by solid-state chemical reactions. .

본 발명의 열전 재료의 ZT 값은 다양한 값을 가질 수 있다. 예를 들면, 열전 재료의 피크 ZT 값 또는 평균 ZT 값은, 출발 물질을 나노 입자로 전환시킨 후에 압력하에 승온에서 상기 나노 입자를 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 average ZT value of a thermoelectric material is the peak ZT value of the corresponding starting material that forms the thermoelectric material by converting the starting material into nanoparticles and then compressing the nanoparticles at elevated temperature under pressure or Can be greater than the average ZT value. For example, the ZT value of the thermoelectric material may 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% substantially than the ZT value of the starting material. The starting material may have a range of ZT values. In some embodiments, the ZT values of the formed thermoelectric materials are 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. At least about 1.4, at least about 1.5, at least about 1.6, at least about 1.7, at least about 1.8, at least about 1.9, or at least about 2. In some embodiments, the thermoelectric material may exhibit a ZT value in the range of a lower limit of one of the ZT values and an upper limit 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, 붕소-카바이드계 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.These improved ZT values can be identified without being limited to temperature, while in some embodiments thermoelectric materials can exhibit the improved ZT values at particular temperatures or within a range of temperatures. For example, the thermoelectric material may 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. In another example, the thermoelectric material begins to reach room temperature or includes a temperature range that includes room temperature (eg, less than about 200 ° C., less than about 150 ° C., less than about 100 ° C., less than about 60 ° C., less than about 40 ° C., about 30 ° C.). Less than or less than about 20 ° C.). As another example, the thermoelectric material may exhibit improved ZT values in a temperature range up to or including cryogenic temperatures (eg, temperatures below about 0 ° C., below about −50 ° C. or below 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 improved ZT values may depend on the composition of the thermoelectric material. In some non-limiting examples, the boron-carbide based composition may, in some embodiments, exhibit improved ZT values below about 2000 ° C., and the SiGe based composition may exhibit improved ZT values below about 1000 ° C., in some embodiments. And, in some embodiments, the PbTe based composition may exhibit improved ZT values below about 600 ° C., and / or the Bi 2 Te 3 based composition may exhibit improved ZT values below about 200 ° C. in some embodiments. . As another non-limiting example, the thermoelectric material includes Bi x Sb 1- x and exhibits improved ZT below room temperature (eg, below about 20 ° C.).

특정한 이론과 반드시 결부시키고자 하는 것은 아니나, 이러한 열전 재료의 높은 ZT 값은 열 전도도, 제에벡 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, 나노 입자보다 큰 그레인에 봉입된 나노 입자로 구성된다면, 나노 그레인 및/또는 봉입된 나노 입자로부터 생성되는 세 가지 효과를 생각할 수 있다. 첫 째로, 열 전도도의 격자 부분이 포논(phonon)의 간섭 산란으로 인하여 저하된다. 둘 째로, 제에벡 계수가 캐리어 여과 효과로 인하여 증가될 수 있고(통상적으로 저에너지 전자/정공이 산란됨으로써, 제에벡 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 제에벡 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 나노 입자를 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. Without wishing to be bound by a particular theory, the high ZT values of such thermoelectric materials may be the result of changes in any combination of thermal conductivity, Zeebeck coefficient, and electrical conductivity. Thermal conductivity has two contributing factors: lattice contributing factor and electron contributing factor. In monocrystalline or polycrystalline samples with large grains, lattice thermal conductivity is fixed for a particular material. However, if the bulk material consists of nano-sized grains and / or nanoparticles enclosed in grains larger than nanoparticles, three effects resulting from nano grains and / or encapsulated nanoparticles can be envisioned. First, the grating portion of thermal conductivity is degraded due to interference scattering of the phonons. Secondly, the Seebeck coefficient can be increased due to the carrier filtration effect (usually by low energy electron / hole scattering, thereby increasing the Seebeck coefficient), and thirdly, the electrical conductivity can be increased due to the modulation doping effect. Can 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 potentially be reduced by interfacial barrier scattering of electrons, in particular by bipolar contribution to thermal conductivity, with the barrier preferentially scattering one form of charge (electron or hole) This is because it may not substantially affect other types of carriers. In addition, quantum size effects can further affect the Seebeck coefficient and electrical conductivity such that S 2 α is increased. Thus, some aspects of the invention provide for the preparation of dense samples (eg, about 90 to about 100% of the density theory) by, for example, hot presses comprising P 2 C, unidirectional hot presses, isostatic hot presses. For the preparation, nanoparticles prepared by ball milling the starting material can be used. These hot compressed samples typically exhibit lower thermal conductivity compared to bulk counterparts, thereby improving ZT values; Although the power factor may be lowered when ZT obtained due to the decrease in thermal conductivity is sufficient, 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 include grain generated from a bulk starting material (eg, bulk thermoelectric material). Examples include bulk starting materials with high power factor and / or starting materials with good ZT values (eg, 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 greater than this. have. In some non-limiting cases, the starting material has a ZT value lower than about 0.8, lower than about 0.9, lower than about 1, lower than about 1.1, lower than about 1.2, lower than about 1.3, or about It may be lower than 1.4, lower than about 1.5, or lower than about 2. As another example, the starting material of a thermoelectric material may not only have a high power factor (eg, S 2 α of at least 20 kW / cm-K 2 , preferably at least 40 kW / cm-K 2 ), but also high thermal conductivity (eg, For example, 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 pulverized to produce grain, when producing grains from gas phase condensation, bulk starting materials may be produced from other thermodynamic conditions, such as gas, and produce grains by chemical means. The bulk starting material can be produced from other thermodynamic conditions such as liquids. It is also understood that grain can be produced from one or more forms of bulk starting materials or mixtures of materials with different thermodynamic phases (eg, 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 p-형 또는 n-형 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, n-형 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. p-형 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 material 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 can be a variety of alloys, such as bismuth-antimony-tellurium alloys, bismuth-selenium-tellurium alloys, bismuth-antimony-tellurium-selenium alloys, lead-tellurium alloys, lead- And selenium alloys, silicon-germanium alloys or any combination thereof. Particular embodiments can be derived using bulk starting materials that are p-type or n-type materials. For example, such starting material may be in a compositionally modified form of a parent composition, for example Bi 2 Te 3 . As an example, the n-type material may substitute tellurium in Bi 2 Te 3 with selenium so that the stoichiometry of the bulk material is determined by the formula Bi 2 Te 3 x Se x where x is in the range of about 0 to about 0.8. It can obtain by having it. In the case of a p- type material, for example, the stoichiometry of the bulk material the formula Bi x Sb 2 - is replaced with antimony in order to have a bi-x Te 3 (where, x is in the range of about 0 to about 0.8) Can be used. In a particular embodiment, the bulk starting material used is a Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3 . In general, the bulk starting material may be a crystalline material or a polycrystalline material (eg, a polycrystalline having 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 having a critical power factor value S 2 σ, for example, at least about 20 kW / cmK 2 . In such cases, the bulk starting material may have a suitable ZT value (eg greater than about 0.1) due to the low thermal conductivity of the bulk starting material, or the power factor may be at or above a threshold, but the ZT value of the starting material may be It may be low due to the relatively high thermal conductivity of the starting material.

일부 양태에 있어서, 열전 재료의 입자(예를 들면, 나노 입자)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 고화를 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 (eg, nanoparticles) can be produced from the bulk starting material or elemental material by a method other than grinding / milling one or more starting materials. Particles can be prepared by a number of methods, including methods known to those skilled in the art. Non-limiting examples include gas phase condensation, laser ablation, chemical synthesis (eg wet or dry), rapid spray cooling, and the like. Thus, the scope of the present application is not limited to the particular particle preparation methods discussed herein. It is understood that particle generation techniques can be combined in a manner to produce a material for solidification. For example, some particles may be produced by ball milling (eg, to produce a host material), while other particles may be produced by one or more other techniques (eg, gas phase condensation, laser ablation, etc.). Can be generated by

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, 다수의 반도체 층들의 스택(stack)으로서 형성된 초격자 구조를 포함함)를 나타내는 다수의 공지된 열전 재료와는 상당히 상이하다. The grains forming the thermoelectric material may have various properties. In some embodiments, each grain has a crystal structure. In such cases, the thermoelectric material may include a polycrystalline-like structure that is generally lacking (eg, randomly dispersed) in the grains. In some cases, the grains may also exhibit a form of predominant orientation due to the grain morphology, where the general crystallographic direction of the grains may be random or may indicate a somewhat dominant orientation with respect to each other. Thus, this embodiment exhibits a large number of representative crystal structures (including, for example, a superlattice structure formed as a stack of multiple semiconductor layers) despite small defects or compositional heterogeneity in the average crystal structure. It is quite different from known thermoelectric materials.

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 that make up the various thermoelectric materials discussed herein can have a variety of sizes. In some embodiments, the size is generally nanometer-scale and generally less than 1 micron. For example, the average grain size of the grains 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 embodiment, the average grain size may be larger than the somewhat lower threshold (eg, about 1 nm). In some cases, the average grain size can be measured using a variety of methods, including methods understood by those skilled in the art. For example, transmission electron microscopy (herein referred to as "TEM (Transmission electron micrograph)") can be used to image grain, and then the size of the grain can be measured and averaged. Since the particles are typically in an irregular shape, the size of the particles measured can be determined using a number of techniques, including those known to those skilled in the art. For example, the maximum dimension of grain from an image (eg, 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 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 나노 입자를 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 invention, the grains of the thermoelectric material can be compressed so that the final product exhibits the desired properties (eg, improved ZT values). In some embodiments, the thermoelectric material includes grains compressed into a structure that exhibits low porosity (eg, the actual density of the final product is used to prepare nanoparticles in the composition, eg, in some embodiments). Close to the theoretical density of the bulk starting material), which can help to obtain improved ZT values. 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 is 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%, or less than about 0.5%, or about 0.1% May be less than. 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%, 90%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 99.5%, or 99.9%, or each theoretical density. While not necessarily bound by theory, it is believed that compression can help maintain contact between grains, which can help maintain the electrical conductivity of thermoelectric materials.

일부 양태는 다수의 그레인으로부터 형성된 열전 재료에 관한 것으로, 이때 하나 이상의 그레인은 하나 이상의 침전 영역을 포함할 수 있다. 예로서, 도 1은 다수의 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, 나노 입자)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 thermoelectric materials formed from a plurality of grains, where one or more grains may comprise one or more precipitation zones. As an example, FIG. 1 schematically illustrates such a thermoelectric material exhibiting a polycrystalline structure comprising a plurality of grains 110. The grains may also include one or more precipitation zones 120, which may improve the thermoelectric properties of the thermoelectric material. The precipitation zone may be characterized by a heterogeneity of the composition, such as having a composition and / or phase different from the rest of the grain. The precipitation zones may also be characterized by having a crystal structure similar to the matrix in which the precipitation zones are enclosed, although the precipitation zones are also oriented in different crystal directions. In some embodiments, despite the defects due to the presence of precipitation zones, one or more precipitation zones are embodied as discrete particles (eg, nanoparticles) enclosed in grains, or the whole grains are embodied as crystals. Can be. In some embodiments, the thermoelectric material may include other grains that do not have a precipitation zone. In an alternative embodiment, substantially all of the grains constituting the thermoelectric material comprise precipitation zones. The precipitation zone typically has a size (eg, a maximum average size) of about 10 nm or less or about 50 nm or less (eg, in the range of about 1 to about 50 nm). The formation of the precipitation zone is a US patent filed October 29, 2004 entitled "Nanocomposites with High Thermoelectric Figures of Merit", which is hereby incorporated by reference in its entirety. This can be accomplished in a variety of ways, including the techniques discussed in US Patent Publication No. US 2006/0102224 to US Pat. No. 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 나노 입자들을 혼합함으로써 생성한다. 예를 들면, 하나의 유형은 다른 유형보다 낮은 융점을 가질 수 있다. 나노 입자들을 혼합하고, 이들을 가열/고화(예를 들면, 나노 입자들 중 하나의 유형의 융점에는 근접하지만, 다른 유형의 융점 미만인 온도에서)시킴으로써, 보다 낮은 융점을 갖는 나노 입자가 다른 유형의 나노 입자 주위에 그레인을 형성할 수 있다. 환언하면, 하나의 유형의 나노 입자로부터 형성된 그레인이 다른 유형의 나노 입자를 봉입할 수 있다. 이러한 봉입된 나노 입자를 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, precipitation zones are created spontaneously, for example, through the formation of thermoelectric materials by the methods discussed herein. In other cases, precipitation zones are created by mixing two types of nanoparticles with different melting points. For example, one type may have a lower melting point than another type. By mixing nanoparticles and heating / solidifying them (e.g., at a temperature close to the melting point of one type of nanoparticles but below the other type of melting point), the nanoparticles with lower melting points become different types of nanoparticles. Grain may form around the particles. In other words, grains formed from one type of nanoparticle may encapsulate another type of nanoparticle. 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 나노 입자를 사용)함으로써 다른 물질이 형성됨을 이해해야 한다. 예를 들면, 열전 재료를 형성하기 위해 함께 혼합될 수 있는 두 가지 이상의 유형의 나노 입자들은 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).Although the above-mentioned discussion is explicitly about forming precipitates in thermoelectric materials, it should be understood that other materials are formed by using other types of inclusions in the matrix (eg, using nanoparticles in the host). For example, two or more types of nanoparticles that may be mixed together to form a thermoelectric material may not contain precipitates but may still have useful properties (eg, using modulation doping). Thus, the disclosure herein may be used for other forms of inclusions, as the case may be. For example, precipitation zones or inclusion zones can be formed through solid phase chemical reactions of particles and hoses (eg, Si and Mo, Fe, Mn, Mg, Ag, Cr, W, Ta, Ti in SiGe hosts). , Cu, Ni or V metal particles react to form particles such as MoSi 2 , FeSi 2 , 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 제에벡 계수를 향상시킬 수도 있다. 따라서, 침전 영역 또는 다른 내포물은 열전 재료의 ZT를 향상시킬 수 있다.While not wishing to be bound by any particular theory, it is believed that precipitation zones or other types of inclusions can enhance phonon scattering in the thermoelectric material, which can lead to a decrease in the thermal conductivity of the thermoelectric material. In addition, n-doped or p-doped regions can enhance the electrical conductivity of the thermoelectric material, for example, via a modulation doping mechanism. In such cases, some or all of the charge carriers (electrons and holes) may be donated by precipitation inclusions or other inclusions enclosed in larger grains. 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 compared to the impurity scattering of the homogeneously doped material. Such a modulation doping like mechanism can increase electrical conductivity through enhancement of carrier mobility. In some cases, these precipitation zones or other inclusions may improve the Seebeck coefficient by scattering more low energy carriers than high energy carriers. Thus, precipitation zones or other inclusions can enhance 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 precipitation zone, or the grain zone or other inclusions may be preferentially doped. In such a case, carriers in these regions can fall into the surrounding host medium when they are at higher potential energy. For example, in the case of modulation doping, the doping in the host material can be correspondingly reduced or eliminated, thereby reducing the scattering of ionized impurities to improve 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, 다수의 그레인은 약 2 마이크론, 약 5 마이크론 또는 약 10 마이크론의 평균 크기를 가질 수 있다. 특별한 양태로, 다수의 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 precipitation zones or other inclusions in the grain may exhibit multiple particle sizes. In some embodiments, the particle size is consistent with the size described herein for grains generally 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 in addition, the average grain size may be greater than about 1 nm. In other embodiments with one or more inclusions, the grain size may be larger than microns. For example, many grains may have an average size of about 2 microns, about 5 microns, or about 10 microns. In particular embodiments, 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 precipitation zone or inclusions may vary. For example, the size of the precipitation zone may be limited by the size of the grains in which the precipitation zone is enclosed. In many embodiments, the precipitation zone or inclusions may preferably have an average size in the range of about 1 to about 50 nm, or in the range of about 1 to about 20 nm. As another example, where, for example, a modulation doping mechanism is used to increase electronic performance, the precipitation region or inclusion may have a larger size, for example, between 1 nm and 10 microns, while The reduction in phonon thermal conductivity of the region is achieved by alloying or nanograining.

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, 나노 입자) 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 n-형 또는 p-형 도핑 수준(통상적으로, 공간적으로 실질적으로 균일한 도핑 수준)을 갖도록 선택된다. 예를 들면, 호스트의 초기 도핑 수준은 통상적인 열전 재료보다 1.5 미만의, 2 미만의, 5 미만의, 10 미만의, 100 미만의 또는 1000 미만의 팩터(factor)일 수 있다. 또한, 봉입된 내포물(예를 들면, 침전 부위 또는 개별적인 입자들)은 도핑되거나 도핑되지 않은 물질로 형성될 수 있다. Some aspects relate to manufactured thermoelectric materials exhibiting modulation doping to achieve improved performance indices. In some embodiments, the thermoelectric material may include particles (eg, nanoparticles) or other inclusions encapsulated in a host material, wherein the inclusions are provided by donating charge carriers (eg, electrons or holes) to the host. Increasing carrier mobility in the host. This can usefully improve the electrical conductivity of the entire thermoelectric material, and thus improve the thermoelectric performance of the thermoelectric material, for example the thermoelectric performance characterized by the ZT value of the thermoelectric material. In many such cases, the host is first chosen to have an n-type or p-type doping level (typically, a spatially substantially uniform doping level) that is undoped or below the typical doping value for the thermoelectric material. For example, the initial doping level of the host can be a factor of less than 1.5, less than 2, less than 5, less than 10, less than 100 or less than 1000 than conventional thermoelectric materials. In addition, the enclosed inclusions (eg, precipitation sites or individual particles) may be formed of doped or undoped materials.

예로서, 도 1B는 다수의 입자(140)가 봉입된 호스트(130)를 포함하는 열전 재료를 도식적으로 도시한 것으로 - 입자들은 내포물들로서 작용한다. 이 경우에, 호스트는 다수의 그레인(135), 예를 들면, 다수의 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, 고화 단계 동안 고체 상 화학 반응을 통해 형성될 수 있다. As an example, FIG. 1B schematically illustrates a thermoelectric material comprising a host 130 in which a plurality of particles 140 are enclosed-the particles act as inclusions. In this case, the host comprises a number of grains 135, for example a number 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 (eg, maximum particle size in all dimensions). In other cases, the grain size may be larger, for example in the range of about 1 to about 20 microns. In addition, in some cases, the particles may have a size (eg, a maximum size in all directions) of less than about 1 micron, such as in the range of about 1 to about 200 nm or in the range of about 2 to about 100 nm. In other cases, the particle size may range from 1 micron or greater, such as from about 1 to about 10 microns. The inclusion 140 may be formed in various ways. For example, they can be formed as precipitation zones using appropriate techniques including those discussed for other aspects herein. In other cases, they may be formed from materials different from those of the host using, for example, the techniques discussed in the above referenced patent application entitled "Nanocomposites with High Thermoelectric Performance Index". In another case, the particles can be formed, for example, through a solid phase chemical reaction during the solidification step.

일반성의 상실없이, 본 예에서, 호스트(130)는 다수의 마이크론-크기 및/또는 나노 크기의 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 p-형 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 n-형에 적용될 수 있는 한편, 다른 것은 p-형 물질에 적용될 수 있다. Si와 반응하지 않는 다른 나노 입자(예를 들면, 금속성 나노 입자 및/또는 반도체 나노 입자)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 number of micron-sized and / or nano-sized grains 135, and the particles 140 are MoSi 2 (encapsulated in SiGe alloys). Molybdenum silicide). Such thermoelectric materials can be formed, for example, in the following manner: molybdenum is added to SiGe, the material is melted, and the material is cooled (eg, in the manner discussed above) to produce an ingot. Which can be ground and compressed as necessary. In this approach, MoSi 2 particles are formed, for example, through solid-state chemical reactions of Mo and Si during the cooling process. The SiGe host is not excessively doped in this example, although it may be in other cases, for example, the SiGe host may be p-type doped, but 2, 5, 10 or more than in conventional SiGe thermoelectric materials. It can be as small as 100 factors. Holes can also be produced by the presence of MoSi 2 . Such donation of holes to the host can improve hole mobility in the thermoelectric material, thus improving electrical conductivity and consequently improving the thermoelectric performance of the thermoelectric material. In other cases, the particles may be used to form particles of FeSi 2 , MgSi 2, etc. by grinding elemental Si and elemental Ge or SiGe crystalline alloy with Fe, Mn, Mg, Cr, W, Ta, Ti, Cu, Ni or V. By forming, or by grinding together each of the above silicides and elemental Si and elemental Ge or SiGe alloys, through solid-state chemical reactions of Si in a host (eg SiGe). Some of these can be applied to the n-type, while others can be applied to the p-type material. Other nanoparticles (eg, metallic nanoparticles and / or semiconductor nanoparticles) that do not react with Si may be used to produce a 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 제에벡 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.While not wishing to be bound by any particular theory, for further explanation of this donation of charge carriers from the particles to the host, FIG. 1C corresponds to the portions 151, 152, 153 corresponding to the host material and to the particles encapsulated in the host. Diagrammatically shows a charge carrier energy diagram corresponding to a hypothetical thermoelectric material (eg, the SiGe based material with MoSi 2 particles encapsulated therein) representing portions 161 and 162. The diagram is schematic and is shown for illustrative purposes only. The charge carriers (eg, electrons or holes) in the energy bands (eg, conduction bands or valence bands) of the particles 161, 162 may be formed by the host 151, 152, 153, which may be conduction bands or valence bands. It may have a higher energy than the energy in the energy band. Thus, many charge carriers in a particle, which may be due to additional doping in the particle or due to the particle's inherent large electron density (such as in metals or semimetals), may be directed to the host to lower their energy. I can move it. Such charge carrier transport from the particles to the host can advantageously increase carrier mobility, for example, by reducing dopants in the host material, thereby reducing scattering of ionized impurities. In this way, higher electrical conduction can be achieved. In some cases, since grain boundaries still scatter electrons, even if overall higher electron mobility is not achieved, this modulation doping method is still beneficial by compensating for the reduction in mobility due to electron grain boundary scattering. Particles used for modulation doping may potentially induce higher Zeebbeck coefficients because they may 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. In addition, without wishing to be bound by any particular theory, the mechanism for this donation of charge carriers from the particle to the host shifts from the higher energy level of the particle's valence band to the lower energy level of the host's valence band. Can be based on some of the holes, or some of the holes by attracting electrons from the host's valence band into the particles, creating more holes in the host, or drawing electrons from the host's valence band into the particles It can be based on creating 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, n-형 또는 p-형 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 나노 입자를 형성하는 방법은, 압축을 위한 바람직한 나노 입자를 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, 나노 입자 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.In general, the type of starting material, temperature at which enhanced ZT is measured, grain components, formation method, and other properties and processes that may be associated with these embodiments include all the features and methods discussed in this application. They are consistent with the grain size, precipitation zone, and / or other inclusions described. For example, the grains may be formed from suitable thermoelectric materials, as discussed above, and may further include n-type or p-type dopants. 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 in the range of about 1 to about 5. In another example, the thermoelectric material formed may exhibit ZT values (eg, improved relative to the starting material) at operating temperatures of less than about 2000 ° C., less than about 1000 ° C., less than about 600 ° C., less than about 200 ° C., or less than about 20 ° C. Have As another example, the grains of the thermoelectric material may include one or more of bismuth based materials (eg, Bi 2 Te 3 and / or related alloys thereof), silicon based materials, and lead based materials. In connection with the production of such thermoelectric materials, the method of forming nanoparticles from bulk starting materials or elemental materials may be characterized by parameters (eg, grinding speed, duration and / or temperature) in order to obtain the desired nanoparticles for compaction. Cryogenic)), but may be applied as discussed herein above. In addition, this control of the nanoparticle size can be used to obtain the desired grain size (eg, less than 1 micron, or greater than 1 micron and less than 10 microns) in the final thermoelectric material. Compression methods may 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, 다수의 나노 입자가 열전 재료로부터 생성된다. 나노 입자는 압력하에 승온에서 고화시켜 열전 재료를 형성할 수 있다. 나노 입자를 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 application relates to a method of making a thermoelectric material. In this method, many nanoparticles are produced from thermoelectric materials. Nanoparticles can solidify at elevated temperatures under pressure to form thermoelectric materials. Types of thermoelectric starting materials 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. Thus, embodiments can include a thermoelectric material having a ZT value of at least about 1 (eg, at a temperature below about 2000 ° C.). In addition or alternatively, the methods may use n-doped or p-doped starting materials (eg, bulk thermoelectric materials that are elements and / or alloys).

열전 물질로부터 나노 입자를 생성하기 위하여 다양한 기술이 사용될 수 있다. 일부 양태에 있어서, 나노 입자는 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. 나노 입자를 생성시키는 경우에, 연삭 기술과 같은 일부 기술은 상당한 열을 발생시키며, 이러한 열은 나노 입자 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, 나노 입자의 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 나노 입자를 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 generate nanoparticles from thermoelectric materials. In some embodiments, nanoparticles are prepared by grinding a thermoelectric material. Grinding can be performed using a mill, for example, a ball mill using planetary motion, figure-eight-like motion or other motion. In the case of producing nanoparticles, some techniques, such as grinding techniques, generate significant heat, which can affect nanoparticle size and properties (eg, cause particle agglomeration). Thus, in some embodiments, cooling of the thermoelectric material may be performed while grinding the thermoelectric material. Such cooling may make the thermoelectric material more brittle, and may facilitate the production of nanoparticles. Cooling and particle generation can be accomplished by wet milling and / or cryomilling (eg, in the presence of dry-ice or liquid nitrogen surrounding the mill). Aspects of the present invention may also use other methods for forming nanoparticles. Such methods may include gas phase condensation, wet chemistry, high speed spinning of the molten material, and other suitable techniques.

압력하 승온에서의 나노 입자의 고화는 다양한 조건하에 다양한 방식으로 수행할 수 있다. 스파크 플라즈마 소결로서도 공지된, 고온 프레스(본원 명세서에는 "P2C")와 같은 공정이 고화 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.Solidification of the nanoparticles at elevated temperature under pressure can be carried out in a variety of ways under a variety of conditions. Processes, such as hot presses (“P 2 C” herein), also known as spark plasma sintering, may be used to impose the desired pressure and temperature during solidification. The disclosure of this process and the apparatus for carrying out the process are described in US Patent Publication No. 2006/0102224, filed Oct. 29, 2004, filed Oct. 29, 2004, which is incorporated by reference in its entirety herein. It is available from.

사용되는 압력은 통상적으로 초대기압이며, 이는 나노 입자의 고화를 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 superatmospheric pressure, which allows the use of low temperatures to achieve solidification of the nanoparticles. In general, the pressure used may range from about 10 to about 900 MPa. In some embodiments, the pressure is in the range of about 40 to about 300 MPa. In another embodiment, the pressure is in the range of 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 ℃). n-형 물질 및 p-형 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.In connection with the above elevated temperatures, a range of temperatures may be used. In general, temperatures typically range from about 200 ° C. to about the melting point of the thermoelectric material. In some exemplary embodiments, the temperature is in the range of about 400 to about 2000 ° C, about 400 to about 1200 ° C, about 400 to about 600 ° C, about 400 to about 550 ° C. For some exemplary n-doped materials, the temperature ranges from about 450 to about 550 ° C., while for some exemplary p-doped materials, the range is several degrees higher (eg, about 475 to about 580 ° C). Other temperature ranges may also be used in connection with the processing of the n- and p-type materials. These particular pressure and temperature ranges may be used for any material, although they may preferably be applied to materials such as BiSbTe alloys and BiSeTe alloys.

압력 및 온도는 나노 입자의 고화를 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 for the solidification of the nanoparticles. In some embodiments, the time ranges from about 1 second to about 10 hours.

본원에 기술된 열전 재료를 형성하기 위해 다른 고화 조건이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 저온 압축을 성취하기 위해, 나노 입자를 다른 입자에 고속으로 충돌시킬 수 있다. 열전 재료를 형성하기 위하여 후속 열처리를 임의로 사용할 수 있다. 다른 고화 공정은, 입자를 고화시키기 위하여, 압력을 거의 사용하지 않거나 전혀 사용하지 않고 입자(예를 들면, 나노 입자)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 고화시켜, 100% 이론 밀도에 근접하는 물질과 같은, 고화 물질을 형성할 수 있다. 후속적으로, 고화 물질을 승온에서 어닐링시켜 열전 재료를 형성할 수 있다. 따라서, 고화 기술은 P2C 또는 고온 압축법으로 제한될 필요는 없다.Other solidification conditions may be used to form the thermoelectric materials described herein. For example, to achieve low temperature compression, nanoparticles can be collided with other particles at high speed. Subsequent heat treatment can optionally be used to form the thermoelectric material. Another solidification process may utilize annealing the particles (eg, nanoparticles) with little or no pressure to solidify the particles. In such a case, the temperature can be selected to induce annealing of the particles at whatever pressure the sample is held during annealing. In other cases, the particles can be solidified at high pressure at relatively low temperatures to form a solidifying material, such as a material approaching 100% theoretical density. Subsequently, the solidified material may be annealed at elevated temperature to form a thermoelectric material. Thus, the solidification technique need not be limited to P 2 C or high temperature compression.

예시적 양태로서, 시판 물질들로부터의 다양한 물질로 이루어진 나노 분말은, 입자 크기가 1 ㎚ 정도로 작은 나노 입자를 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 n-형 및 p-형 둘 다에서 본래 값의 극히 일부로 감소될 수 있으며, 이에 따라 ZT 값이 상당히 향상된다.As an exemplary embodiment, nanopowders consisting of various materials from commercially available materials can be prepared by high energy ball milling to obtain nanoparticles with particle sizes as small as 1 nm. In some cases, dry milling can be combined with wet milling and / or cryomilling to prevent the milled particles from agglomerating into larger sized particles due to the heat generated during milling. In this way, even more dispersed particles can be obtained. These powders can be compressed into solid samples by hot presses including P 2 C technology. In many embodiments, approximately 100% density, in theory, can be achieved in a short time (typically from about 1 to about 10 minutes per sample). The hot compressed samples produced by this method can reduce the lattice thermal conductivity to only a fraction of the original value in both n-type and p-type, while maintaining a power factor comparable to the bulk counterpart, thus ZT The value is significantly improved.

예를 들면, BixSb2 - xTe3(여기서, x는 약 0 내지 약 0.8의 범위일 수 있다)의 p-형 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. On the other hand in the p- type commercially available materials of the x Te 3 (where, x may range from about 0 to about 0.8), the commercially available materials having a maximum ZT value of about 1, for example, Bi x Sb 2 After ball milling and hot pressing, 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 나노 입자로 전환(또는 다른 입자 생성법을 사용함)하여 이들 나노 입자를 압축하기 보다는, 두 개 이상의 원소 물질(예를 들면, 원소 Bi 및 원소 Te)로부터 나노 입자들을 생성(예를 들면, 연삭에 의해)시킨다. 그 다음에, 나노 입자들을 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 및 바람직하게는 약 1 내지 약 100 ㎚ 범위인 그레인을 갖는 다결정 구조를 갖는 열전 재료)를 생성시킬 수 있다.In some embodiments, rather than converting the thermoelectric starting material into nanoparticles (or using other particle generation methods) to compress these nanoparticles, the nanoparticles are extracted from two or more elemental materials (eg, Elemental Bi and Elemental Te). To produce (eg by grinding). The nanoparticles are then mixed and compressed under elevated pressure (eg, the pressure and temperature discussed above) so that the ZT value is at least about 1, preferably at least about 1.2, or at least about 1.5, or about The resulting thermoelectric material of two or more (eg, a thermoelectric material having a polycrystalline structure having grains of less than about 500 nm in size and preferably in the range from about 1 to about 100 nm) can be produced.

대안적인 양태로, 두 개 이상의 벌크 물질을 동시에 연삭하여 상이한 조성을 갖는 다양한 나노 입자를 생성할 수 있다. 연삭 공정은 나노 입자를 "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 나노 입자를 형성시켜 수행할 수도 있다. 이들 입자들은 본원에서 논의된 하나 이상의 특성을 갖는 열전 재료를 형성하기 위하여 고화시킬 수 있다.In an alternative embodiment, two or more bulk materials can be ground simultaneously to produce various nanoparticles with different compositions. Grinding processes can be used to “mechanically alloy” nanoparticles. Mechanical alloying may also be performed by producing two or more different particles separately, then mixing the particles together and further grinding them to form an alloy and reducing the size of these particles to form alloyed nanoparticles. . These particles may be solidified to form a thermoelectric material having one or more of the properties discussed herein.

또 다른 양태로, 상이한 유형의 나노 입자들을 본원에서 논의된 기술들 중 어느 하나[예: 벌크 원소 물질(예를 들면, 비스무트 또는 텔루륨)의 연삭]를 사용하여 별도로 생성한 다음, 함께 혼합하고 고화시켜 열전 재료를 형성시킬 수 있다. 고화 전에 상기 혼합물의 추가의 연삭을 임의로 적용시킬 수 있다 이들 공정 중 어느 하나에 의해 형성된 최종-고화 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 produced separately using any of the techniques discussed herein (eg, grinding of bulk elemental materials (eg, bismuth or tellurium)), and then mixed together It can be solidified to form a thermoelectric material. Further grinding of the mixture may optionally be applied prior to solidification. The final-solidified material formed by any of these processes may be any of the compositional properties described herein, eg, Bi 2 Te 3 -x Se x. (Where x is in the range of about 0 to about 0.8; for example, Bi 2 Te 2.8 Se 0.2 ) or Bi x Sb 2 -x Te 3 (where x is in the range of about 0 to about 0.8): g., may have a 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, 나노 입자들)을 생성시키고, 물질 구조물로 되도록 고화시킬 수 있다. 이후, 생성된 상기 구조물을, 새로운 다수의 입자를 생성하기 위하여(예를 들면, 물질 구조물의 연삭에 의해) 사용할 수 있고, 이러한 새로운 입자들을 후속적으로 고화시켜 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.Another aspect of forming a thermoelectric material uses one or more repetitions of the steps used to form the thermoelectric material as discussed herein. For example, particles (eg, nanoparticles) can be produced from one or more starting materials (eg, starting material or elemental material of a bulk thermoelectric material) and solidified to be a material structure. The resulting structure can then be used to produce a new large number of particles (eg, by grinding of the material structure), and these new particles can subsequently be solidified to form another material structure. This process can be repeated several times to form the final thermoelectric material. This process can assist in the production of small grain sizes mixed thoroughly.

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 particles resulting from oxidation (eg, during the ball milling process). Non-limiting examples of protection techniques include exposing the resulting particles (eg, the environment in which the grinding of the material occurs) to a relatively oxygen-depleted environment, such as a vacuum, or an environment with low oxygen content relative to atmospheric pressure. The resulting particles can also be exposed to some form of chemical coating to reduce oxygen exposure of the surface; The coating may optionally be removed later in the thermoelectric material manufacturing process. Thus, protection schemes 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 example section provides further description of various aspects of the present invention and a description of the possibility of using the method of the present invention to produce thermoelectric materials exhibiting improved thermoelectric properties. However, the following examples are provided for illustrative purposes only and do not represent the optimal results achievable by practicing the method of the present invention.

실시예Example 1: 나노 결정성 벌크 p-형  1: Nanocrystalline Bulk p-type BiBi xx SbSb 22 -- xx TeTe 33 물질 matter

시판 물질(p-형 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.Commercial materials (p-type BiSbTe alloy ingots) are powdered and introduced into zirconia jars inside a glove box under an argon atmosphere to avoid oxidation. Several zirconia balls (5 to 15 mm in size) are also added and sealed. The sealed ruler is placed in a ball mill and milled for a total of about 0.5 to 50 hours at a speed of 100 to 2000 rpm. Scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and x-ray diffraction (XRD) are used to verify the properties of the powder.

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 나노 입자들의 크기들 중의 소수가 약 50 ㎚에 달하고 평균 크기는 약 20 ㎚임을 확실히 보여준다. 도 2C에 도시된 고해상도 TEM 영상은 나노 입자의 양호한 결정성 및 깨끗한 입자 표면을 확인시켜 주며, 이는 양호한 열전 특성을 위해 바람직하다. 도 2C의 삽화는 또한 일부 나노 입자가 심지어 5 ㎚보다 더 작음을 나타낸다.3 shows the x-ray diffraction (XRD) pattern of nanopowder after ball milling. The XRD pattern proves that the powder two days sangyigo, Bi 0 .5 Sb 1 .5 pattern corresponds well with the Te 3. Magnified diffraction peaks indicate that the particles are small. This small size is confirmed by scanning electron microscopy (SEM) images of the nanopowders shown in FIG. 2A and low magnification transmission electron microscopy (TEM) images of the powders shown in FIG. 2B. The low resolution TEM image of FIG. 2B clearly shows that the minority of the sizes of the nanoparticles reaches about 50 nm and the average size is about 20 nm. The high resolution TEM image shown in FIG. 2C confirms good crystallinity and clean particle surface of the nanoparticles, which is desirable for good thermoelectric properties. The illustration of FIG. 2C also shows 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 제에벡 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 the powder is obtained, the powder sample is processed into a bulk disk sample having a diameter of 1/2 "and a thickness of 2 to 12 mm by introducing nanopowder into a 1/2" diameter die and hot compressing it. After milling the powder (stored inside the glove box to prevent oxidation) is introduced into the graphite die and compacted to pellets using DC hot press technique (see FIG. 4). Parameters for hot compression conditions are 40 to 160 MPa and 450 to 600 ° C. Density is close to 100% of theory of all compositions. For the measurement of electrical and thermal conductivity and the Seebeck coefficient using both the DC and AC methods, a disk with a diameter of 1/2 "and a thickness of 2 mm and about 2 x 2 x 12 mm 3 from the compressed disk Cut and polish the bar.

통상, 고온 압축된 샘플의 제조시, 분말을 선택된 압력에 노출시키고, 장치를 설정된 가열 속도로 활성화시킨다. 선택된 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 preparation of hot pressed samples, the powder is exposed to a selected pressure and the device is activated at a set heating rate. Once the selected elevated temperature is reached, the sample is brought to said temperature for 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 (eg, for 2 minutes). And at pressure. Then, cooling is started. However, it should be understood that the pressure may be imposed during or after the sample reaches an elevated temperature.

도 5 내지 9는 고온 압축된 나노 결정성 물질(도면에서 BP0572로 나타냄) 및 시판 물질(도면에서 시판 잉곳으로 나타냄) p-형 BiSbTe 합금 잉곳의 다양한 특성의 온도 의존성을 비교한 것이다. 도 5 내지 9에서 모든 특성은 동일한 샘플로부터 측정한 것이다. 실리더-형 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.5 to 9 compare the temperature dependence of various properties of hot compressed nanocrystalline material (shown as BP0572 in the figure) and commercial material (shown as a commercial ingot in the figure) p-type BiSbTe alloy ingot. All properties in FIGS. 5-9 are measured from the same sample. The cylinder-shaped disk is hot pressed, cut along the direction of compression and perpendicular to the direction of compression, and then measured. To test the temperature stability of the nanocrystalline bulk sample, the same sample is measured repeatedly until it reaches 250 ° C. No substantial degradation 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.5 compares the temperature dependence of the electrical conductivity of nanocrystalline and commercial samples. Electrical conductivity is measured by a four point current-switching technique. The electrical conductivity of the nanocrystalline bulk sample is somewhat higher than that of commercial ingots.

도 6은 나노 결정성 샘플 및 시판 샘플의 제에벡 계수의 온도 의존성을 비교한 것인 한편, 도 7은 샘플의 역률(S2σ)의 온도 의존성을 비교한 것이다. 제에벡 계수는, 디스크 면을 따라 절단된 단면적의 치수가 2 x 2 ㎟이고 길이가 12 ㎜인 동일한 바아-형태 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 제에벡 계수는 온도에 좌우되는 잉곳의 제에벡 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 Seebeck coefficients of the nanocrystalline and commercial samples, while FIG. 7 compares the temperature dependence of the power factor (S 2 sigma) of the sample. The Seebeck coefficients are calculated using a commercially available device (ZEM-3, Ulvac, Inc.) on the same bar-shaped samples with dimensions of 2 x 2 mm 2 and 12 mm in length cut along the disk face. Measured by the electrostatic DC method based on the slope of the temperature difference curve. These properties are also measured for home-made systems on the same sample. The two sets of measurements are within 5% of each other. The Zeebek coefficient of the nanocrystalline sample is somewhat lower or higher than the Zeebek coefficient of the ingot, which is temperature dependent, making the nanocrystalline sample comparable to that of commercial ingots when the power factor of the nanocrystalline sample is below 75 ° C. If the power factor of the sample is 75 ° C. or higher, the power factor is higher than that of a commercial ingot.

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 nanocrystalline and commercial samples. Thermal conductivity is derived from the measurement of thermal diffusivity and thermal capacity of the sample. Thermal diffusivity is measured by a laser-flash method on a disc along the disc axis direction using a commercial system (Netzsch Instruments, Inc.). After laser-flash measurement, the bars are cut from the disk and their thermal diffusivity is measured along the bar (disk-plane) direction using the Angstrom method in a home-built system. The thermal diffusivity values of the bars and discs are consistent 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.9 records the change in figure of merit ZT as a function of temperature of nanocrystalline and commercial samples. Since the thermal conductivity of the nanocrystalline bulk sample is significantly lower than that of commercial ingots and, more importantly, the difference increases further as the temperature increases, this leads to a significantly improved ZT in the temperature range of 20 to 250 ° C. 9 also shows that the peak ZT values shift to higher temperatures (100 ° C.). The peak ZT of the nanocrystalline bulk sample is about 1.4 at 100 ° C., which is significantly higher than the peak ZT of commercially available Bi 2 Te 3 based alloys. The ZT values of commercial ingots begin to drop at temperatures above 75 ° C. and fall below 0.25 at 250 ° C. In comparison, nanocrystalline bulk samples show ZT higher than 0.8 at 250 ° C. These ZT properties are even more desirable for power generation applications, because good materials with high ZT in the above temperature range are not currently available.

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.Detailed microstructure inspection is performed on nanocrystalline bulk samples using transmission electron microscopy (TEM). The bulk nanocrystalline sample is cut, polished and ion milled to prepare a TEM specimen. The hot pressed nanocrystalline bulk pellets are cut into blocks of 2 × 3 × 1 mm and ground to 2 × 3 × 0.002 mm using a mechanical tripod grinder. The sample is glued to a copper grid and milled for 30 minutes using a Precision Ion Polishing System (Gatan Inc.) with an incident energy of 3.2 kW and a beam current of 15 kW at an angle of incidence of 3.5 °. 10-15 show representative TEM micrographs, which represent the key 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.In general, as shown in FIGS. 10 and 11, most grains are nano-sized. Moreover, the nanograins are quite crystalline and randomly oriented with very clear boundaries (large angles between the grid faces). As shown in FIG. 11, the nanograins can be intimately packed and match the density measurements suggesting a fully dense sample. There are also larger particles as shown in FIG. 12. As shown in FIG. 13, the high resolution TEM brown rice technique shows that these grains consist of nano dots with a borderless size of 2 to 10 nm. These nanodots are typically Sb-rich with an exemplary composition approaching Bi: Sb: Te = 8:44:48, with Sb replacing Te. Some nanodots have no borders with the matrix as shown in FIG. 13, while other nanodots observed have small angle borders with the matrix as shown in FIG. 14. As shown in FIG. 15, pure Te precipitates in sizes ranging from 5 to 30 nm are also observed. The selected-area electron diffraction pattern shown in the illustration of FIG. 15 confirms 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 necessarily tied to a particular theory, it can be assumed that these nanodots can be formed during the hot-press heating and cooling process. As shown in FIG. 12, larger grains containing nano dots can cause non-uniform milling of the ingot during ball milling. These large grains can grow much larger during hot-press compaction through Oswald Ripening. If there is a large population of nano interface features (eg nano grains) in the material of the present invention, nano dots may not be the only reason for strong phonon scattering.

실시예Example 2: 나노 결정성  2: nanocrystalline SiGeSiGe 물질 matter

p-형 및 n-형 둘 다인, 규소 원소 물질 및 게르마늄 원소 물질이 출발 물질로서 사용되며, 크기가 약 1 내지 약 200 ㎚인 나노 입자를 형성하기 위하여 볼 밀 을 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.Elemental silicon 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 having a size of about 1 to about 200 nm. These elemental materials may in some cases have a ZT lower than about 0.01. It is also understood that SiGe alloys can be used to form particles, possibly leading to further improvements in the finally produced material. The sample is hot pressed at a pressure of about 40 to about 200 MPa and a temperature of about 900 to 1300 ° C. to form a thermoelectric material sample.

도 16 내지 19는 p-형 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 p-형 SiGe 샘플의 전기 전도도의 온도 의존성을 도시한 것이다. 도 17은 나노 결정성 p-형 SiGe 샘플의 제에벡 계수의 온도 의존성을 도시한 것이다. 도 18은 p-형 SiGe 샘플에 대한 열 전도도의 온도 의존성을 도시한 것이다. 도 19는 나노 결정성 p-형 SiGe 샘플의 성능 지수 ZT의 변화를 온도의 함수로서 기록한 것이다. 16-19 show graphs showing the temperature dependence of various properties of hot pressed nanocrystalline materials formed from p-type SiGe ball milled bulk materials. Properties are measured using the same technique described above with respect to FIGS. 5-9. FIG. 16 shows the temperature dependence of the electrical conductivity of nanocrystalline p-type SiGe samples. FIG. 17 shows the temperature dependence of the Seebeck coefficients of nanocrystalline p-type SiGe samples. FIG. 18 shows the temperature dependence of thermal conductivity for p-type SiGe samples. 19 records the change in the figure of merit ZT of the nanocrystalline p-type SiGe sample as a function of temperature.

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

도 24 내지 26은 나노 결정성 물질과 관련된 p-형 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 다수의 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 다수의 그레인의 나노 크기도 보여주며, 이는 포논 산란을 위해 설정된 다수의 그레인 경계를 나타내는 것이다.24-26 show TEM micrographs of p-type SiGe materials associated with nanocrystalline materials. FIG. 24 shows a TEM micrograph of a ball milled powder sample of SiGe bulk material, showing nano-sized microparticles of milled microparticles. FIG. 25 shows TEM micrographs of SiGe powder samples after hot compression. Micrographs show a large number of grains in the tightly packed nano-size range of hot pressed materials. The illustration of FIG. 25 shows the selected-area electron diffraction pattern taken for the sample. FIG. 26 shows a high resolution TEM of a high temperature compressed SiGe sample, which also shows the nano size of a number of grains in the sample, indicating a number of grain boundaries set for phonon scattering.

실시예Example 3: 나노 결정성 p-형  3: nanocrystalline p-type BiSbTeBiSbTe 물질의 온도 맞춤변경( Change the temperature of the material ( tailoringtailoring ))

성능 지수 ZT를 다양한 온도 조건에 대해 어떻게 맞춤변경할 수 있는 지를 설명하기 위하여, 나노 결정성 p-형 BiSbTe 합금 물질의 샘플을 제조하였다. 특히, BixSb2 - xTe3 유형의 물질을, 선택된 x값에 좌우되는 다양한 화학양론으로 제조할 수 있다. 샘플의 두 개의 특별한 예시 유형을 제조한다: Bi0 .3Sb1 .7Te3의 화학양론을 갖는 p-형 나노 결정성, 고온 압축된 물질, 및 Bi0 .5Sb1 .5Te3의 화학양론을 갖는 p-형 나노 결정성, 고온 압축된 물질. 적절한 벌크 출발 물질을 볼 밀에 의해 연삭하여 나노 입자 샘플을 형성시킨다. 샘플은 40 내지 160 ㎫ 및 450 내지 600 ℃에서 약 5분 이하 동안 압축시킨다.To illustrate how the figure of merit ZT can be customized for various temperature conditions, samples of nanocrystalline p-type BiSbTe alloy materials were prepared. In particular, Bi x Sb 2 - can be prepared in a variety of stoichiometric which influence the x Te 3 type material, the chosen value of x. To prepare a two particular exemplary types of samples: the Bi 0 .3 Sb 1 .7 Te 3 of p- type nano-crystalline, high temperature compressed materials having a stoichiometry, and Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3 P-type nanocrystalline, high temperature compressed material with stoichiometry. The appropriate bulk starting material is ground by a ball mill to form a nanoparticle sample. Samples are compressed at 40-160 MPa and 450-600 ° C. for up to about 5 minutes.

도 27 내지 30은 나노 결정성 Bi0 .3Sb1 .7Te3 샘플에 대한 전기 전도도, 제에벡 계수, 열 전도도 및 ZT의 온도 의존성을 각각 도시한 것인 한편, 도 31 내지 34는 Bi0.5Sb1.5Te3 샘플에 대한 전기 전도도, 제에벡 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.Nanocrystalline Bi 0 is a 27 to 30 1 .3 .7 Sb Te 3 While electrical conductivity, Zeebeck coefficient, thermal conductivity and temperature dependence of ZT for the samples are shown respectively, FIGS. 31 to 34 show electrical conductivity, Zeebeck coefficient, thermal conductivity for Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3 samples. And temperature dependence of ZT, respectively. The measurement was performed as described in Example 1. As can be seen from Figures 30 and 34, Bi 0 .3 Sb 1 .7 Te 3 Peak ZT value for the sample is measured while at about 150 ℃, Bi 0 .5 Sb 1 .5 Te 3 Peak ZT values for the samples were measured at about 75 ° C.

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 customized for particular temperature range applications. For example, cold peak materials can be used in applications that are tuned closer to room temperature use, such as cooling, while hot peak materials can be used in applications for high temperatures 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.In conjunction with the above experimental results, it should be understood that the various aspects discussed herein disclose only a variety of methods and materials that are representative of the scope of the invention. Indeed, those skilled in the art will readily recognize that many other modifications to the methods and materials described herein may be made. All such modifications represent relevant aspects that also fall within the scope of the invention. In addition, all numbers indicating the amounts of components used in the specification and claims, reaction conditions, and the like, should be understood as being changed in all cases by the term "about." Accordingly, unless indicated to the contrary, the numerical parameters set forth herein and in the appended claims are approximations that may vary depending upon the desired properties.

Claims (92)

열전 출발 물질로부터 다수의 나노 입자를 생성시키는 단계 및 Generating a plurality of nanoparticles from the thermoelectric starting material and 압력하에 승온에서 나노 입자를 고화(consolidation)시켜, 적어도 한 온도에서 상기 열전 출발 물질보다 높은 ZT 값을 갖는 압축된 열전 재료를 형성하는 단계를 포함하는, 열전 재료의 제조 방법.Consolidating the nanoparticles at elevated temperature under pressure to form a compressed thermoelectric material having a higher ZT value than the thermoelectric starting material at at least one temperature. 제1항에 있어서, 열전 재료가 약 1 이상의 ZT 값을 나타내도록 상기 압력 및 승온을 선택하는 단계를 추가로 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 1, further comprising selecting the pressure and elevated temperature such that the thermoelectric material exhibits a ZT value of at least about 1. 제1항에 있어서, 열전 재료가 약 2000 ℃ 미만인 온도에서 상기 ZT 값을 나타내는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 1, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature of less than about 2000 degrees Celsius. 제3항에 있어서, 열전 재료가 약 1000 ℃ 미만인 온도에서 상기 ZT 값을 나타내는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 3, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature below about 1000 ° C. 5. 제4항에 있어서, 열전 재료가 약 600 ℃ 미만인 온도에서 상기 ZT 값을 나타내는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 4, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature of less than about 600 ° C. 6. 제5항에 있어서, 열전 재료가 약 200 ℃ 미만인 온도에서 상기 ZT 값을 나타 내는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 5, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature below about 200 ° C. 7. 제6항에 있어서, 열전 재료가 약 20 ℃ 미만인 온도에서 상기 ZT 값을 나타내는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 6, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature of less than about 20 ° C. 8. 제1항에 있어서, 다수의 나노 입자를 생성시키는 단계가 상기 열전 출발 물질의 연삭을 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 1, wherein producing a plurality of nanoparticles comprises grinding the thermoelectric starting material. 제8항에 있어서, 상기 열전 출발 물질을 연삭하면서, 이를 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 8, further comprising the step of cooling the thermoelectric starting material and cooling it. 제9항에 있어서, 상기 열전 출발 물질의 연삭 단계가 볼 밀링을 사용함을 포함하는, 열전 재료의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein grinding the thermoelectric starting material comprises using ball milling. 제1항에 있어서, 나노 입자의 고화 단계가 플라즈마 압력 압축 공정, 단일방향 고온 프레스 공정 및 등압 고온 프레스 공정 중의 하나 이상의 사용을 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 1, wherein the solidifying of the nanoparticles comprises the use of one or more of a plasma pressure compression process, a unidirectional hot press process, and an isothermal hot press process. 제1항에 있어서, 상기 압력을 약 10 내지 약 900 ㎫의 범위로 선택함을 추가로 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 1, further comprising selecting the pressure in the range of about 10 to about 900 MPa. 제12항에 있어서, 상기 압력을 약 40 내지 약 300 ㎫의 범위로 선택함을 추가로 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 12, further comprising selecting the pressure in the range of about 40 to about 300 MPa. 제13항에 있어서, 상기 압력을 약 60 내지 약 200 ㎫의 범위로 선택함을 추가로 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 13, further comprising selecting the pressure in the range of about 60 to about 200 MPa. 제1항에 있어서, 상기 승온을 약 200 ℃ 내지 대략 열전 출발 물질의 융점 범위로 선택함을 추가로 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 1, further comprising selecting the elevated temperature in the melting point range of about 200 ° C. to approximately the thermoelectric starting material. 제1항에 있어서, 상기 승온을 약 400 내지 약 2000 ℃의 범위로 선택함을 추가로 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 1, further comprising selecting the elevated temperature in the range of about 400 ° C. to about 2000 ° C. 7. 제1항에 있어서, 다수의 나노 입자의 생성 단계가 p-도핑된 물질 및 n-도핑된 물질 중의 어느 하나를 포함하는 열전 출발 물질을 사용함을 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 1, wherein the step of generating the plurality of nanoparticles comprises using a thermoelectric starting material comprising any one of a p-doped material and an n-doped material. 제1항에 있어서, 열전 출발 물질이 약 1 마이크론 이상의 평균 결정 그레인(grain) 크기를 갖는 다결정 구조를 나타내는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 1, wherein the thermoelectric starting material exhibits a polycrystalline structure having an average crystal grain size of at least about 1 micron. 제1항에 있어서, 열전 출발 물질이 비스무트계 재료, 납계 재료 및 규소계 재료 중의 어느 하나를 포함하도록 열전 출발 물질을 선택함을 추가로 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 1, further comprising selecting the thermoelectric starting material such that the thermoelectric starting material comprises any one of a bismuth based material, a lead based material, and a silicon based material. 제1항에 있어서, 열전 출발 물질이 비스무트-안티몬-텔루륨 합금, 비스무트-셀레늄-텔루륨 합금, 납-텔루륨 합금, 납-셀레늄 합금 및 규소-게르마늄 합금 중의 하나 이상을 포함하도록 열전 출발 물질을 선택함을 추가로 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The thermoelectric starting material of claim 1, wherein the thermoelectric starting material comprises at least one of a bismuth-antimony-tellurium alloy, a bismuth-selenium-tellurium alloy, a lead-tellurium alloy, a lead-selenium alloy, and a silicon-germanium alloy. Further comprising the step of producing a thermoelectric material. 제1항에 있어서, 열전 출발 물질이 Bi2Te3 - xSex 합금(여기서, x는 약 0 내지 약 0.8의 범위이다)이도록 열전 출발 물질을 선택함을 추가로 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The thermoelectric material of claim 1, further comprising selecting the thermoelectric starting material such that the thermoelectric starting material is a Bi 2 Te 3 x Se x alloy, where x ranges from about 0 to about 0.8. Way. 제1항에 있어서, 열전 출발 물질이 BixSb2 - xTe3 합금(여기서, x는 약 0 내지 약 0.8의 범위이다)이도록 열전 출발 물질을 선택함을 추가로 포함하는, 열전 재료의 제조방법.According to claim 1, wherein the heat-starting material is Bi x Sb 2 - x Te 3 alloy for producing a thermoelectric material further comprises a Selecting the thermal starting materials so that (where, x is from about 0 to the range of about 0.8) Way. 제1항에 있어서, 다수의 나노 입자의 생성 단계가 평균 그레인 크기가 약 500 ㎚ 미만인 나노 입자를 생성함을 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 1, wherein producing a plurality of nanoparticles comprises producing nanoparticles having an average grain size of less than about 500 nm. 제23항에 있어서, 평균 그레인 크기가 약 1 내지 약 200 ㎚의 범위인, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 23, wherein the average grain size ranges from about 1 to about 200 nm. 제1항에 있어서, 승온에서 약 1초 내지 약 10시간 동안 나노 입자를 유지시킴을 추가로 포함하는, 열전 재료의 제조방법.The method of claim 1, further comprising maintaining the nanoparticles at an elevated temperature for about 1 second to about 10 hours. 평균 그레인 크기가 약 1 내지 약 1000 ㎚의 범위인 다수의 그레인을 포함하는 물질 구조물을 포함하고, 상기 물질 구조물은 약 2000 ℃ 미만의 온도에서의 약 1.0 이상의 ZT 값을 특징으로 하는, 열전 재료.A material structure comprising a plurality of grains having an average grain size in the range of about 1 to about 1000 nm, wherein the material structure is characterized by a ZT value of at least about 1.0 at a temperature of less than about 2000 ° C. 제26항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 1000 ℃ 미만의 온도에서 상기 ZT 값을 나타내는, 열전 재료.27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature of less than about 1000 ° C. 제26항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 600 ℃ 미만의 온도에서 상기 ZT 값을 나타내는, 열전 재료.27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature of less than about 600 ° C. 제26항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 200 ℃ 미만의 온도에서 상기 ZT 값을 나타내는, 열전 재료.27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature of less than about 200 ° C. 제26항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 20 ℃ 미만의 온도에서 상기 ZT 값을 나타내는, 열전 재료.27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature of less than about 20 ° C. 제26항에 있어서, 상기 다수의 그레인의 평균 그레인 크기가 약 1 내지 약 500 ㎚의 범위인, 열전 재료.The thermoelectric material of claim 26, wherein the average grain size of the plurality of grains ranges from about 1 to about 500 nm. 제26항에 있어서, 상기 다수의 그레인 중의 하나 이상이 그레인 내에 하나 이상의 침전 영역을 포함하는, 열전 재료.27. The thermoelectric material of claim 26, wherein at least one of the plurality of grains comprises at least one precipitation region in the grains. 제32항에 있어서, 하나 이상의 침전 영역이 약 1 내지 약 20 ㎚의 범위의 크기를 갖는, 열전 재료.33. The thermoelectric material of claim 32, wherein the one or more precipitation regions have a size in the range of about 1 to about 20 nm. 제26항에 있어서, 상기 물질 구조물에 약 100 ㎚보다 큰 입자가 실질적으로 존재하지 않는, 열전 재료.27. The thermoelectric material of claim 26, wherein substantially no particles are greater than about 100 nm in the material structure. 제26항에 있어서, 상기 물질 구조물이 약 10% 미만의 다공도를 갖는, 열전 재료.27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the material structure has a porosity of less than about 10%. 제35항에 있어서, 다공도가 약 1% 미만인, 열전 재료.The thermoelectric material of claim 35, wherein the porosity is less than about 1%. 제26항에 있어서, 상기 물질 구조물의 ZT 값이 약 1.2 이상인, 열전 재료.27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the ZT value of the material structure is at least about 1.2. 제37항에 있어서, 상기 물질 구조물의 ZT 값이 약 1.5 이상인, 열전 재료.38. The thermoelectric material of claim 37, wherein the ZT value of the material structure is at least about 1.5. 제38항에 있어서, 상기 물질 구조물의 ZT 값이 약 2 이상인, 열전 재료.The thermoelectric material of claim 38, wherein the ZT value of the material structure is about 2 or greater. 제37항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 2000 ℃ 미만의 온도에서 상기 ZT 값을 나타내는, 열전 재료.38. The thermoelectric material of claim 37, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature of less than about 2000 ° C. 제40항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 1000 ℃ 미만의 온도에서 상기 ZT 값을 나타내는, 열전 재료.41. The thermoelectric material of claim 40, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature of less than about 1000 ° C. 제41항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 600 ℃ 미만의 온도에서 상기 ZT 값을 나타내는, 열전 재료.43. The thermoelectric material of claim 41, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature of less than about 600 ° C. 제42항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 200 ℃ 미만의 온도에서 상기 ZT 값을 나타내는, 열전 재료.43. The thermoelectric material of claim 42, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature of less than about 200 ° C. 제43항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 20 ℃ 미만의 온도에서 상기 ZT 값을 나타내는, 열전 재료.44. The thermoelectric material of claim 43, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at a temperature of less than about 20 ° C. 제26항에 있어서, 상기 열전 재료가 각각의 이론 밀도의 약 90 내지 약 100%의 범위의 밀도를 나타내는, 열전 재료.27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the thermoelectric material exhibits a density in the range of about 90 to about 100% of each theoretical density. 제26항에 있어서, 상기 다수의 그레인이 n-도핑 물질 및 p-도핑 물질 중의 하나 이상을 포함하는, 열전 재료.27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the plurality of grains comprises at least one of an n-doped material and a p-doped material. 제26항에 있어서, 상기 다수의 그레인이 비스무트계 재료, 납계 재료 및 규소계 재료 중의 하나 이상을 포함하는, 열전 재료.27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the plurality of grains comprise one or more of bismuth based materials, lead based materials, and silicon based materials. 제47항에 있어서, 상기 다수의 그레인이 비스무트-안티몬-텔루륨 합금, 비스무트-셀레늄-텔루륨 합금, 납-텔루륨 합금, 납-셀레늄 합금 및 규소-게르마늄 합금 중의 하나 이상을 포함하는, 열전 재료.48. The thermoelectric of claim 47, wherein the plurality of grains comprise one or more of bismuth-antimony-tellurium alloys, bismuth-selenium-tellurium alloys, lead-tellurium alloys, lead-selenium alloys, and silicon-germanium alloys. material. 제48항에 있어서, 상기 다수의 그레인이 비스무트-안티몬-텔루륨 합금을 포함하는, 열전 재료.49. The thermoelectric material of claim 48, wherein the plurality of grains comprise a bismuth-antimony-tellurium alloy. 제26항에 있어서, 상기 다수의 그레인이 Bi2Te3 - xSex 합금(여기서, x는 약 0 내지 약 0.8의 범위이다)을 포함하는, 열전 재료.27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the plurality of grains comprises a Bi 2 Te 3 - x Se x alloy, where x ranges from about 0 to about 0.8. 제26항에 있어서, BixSb2 - xTe3 합금(여기서, x는 약 0 내지 약 0.8의 범위이다)인, 열전 재료. 27. The method of claim 26, Bi x Sb 2 - x Te 3 alloy (where, x is in the range of about 0 to about 0.8) is, the thermoelectric material. 제26항에 있어서, 상기 다수의 그레인이 상이한 원소 조성을 갖는 두 개 이상의 그레인을 포함하는, 열전 재료.27. The thermoelectric material of claim 26, wherein the plurality of grains comprises two or more grains having different elemental compositions. 다수의 압축된 결정성 내포물(inclusion)을 포함하는 열전 재료로서, A thermoelectric material comprising a plurality of compressed crystalline inclusions, 상기 내포물들이 서로에 대해 랜덤하게 배치되고, 내포물의 평균 크기는 약 1 내지 약 500 ㎚의 범위이며, 상기 압축된 내포물이 약 1 이상의 ZT를 나타내는 열전 재료를 제공하는, 열전 재료.Wherein the inclusions are randomly disposed relative to each other, the average size of the inclusions ranges from about 1 to about 500 nm and the compressed inclusions provide a thermoelectric material exhibiting at least about ZT. 제53항에 있어서, 상기 내포물이 그레인을 포함하는, 열전 재료.54. The thermoelectric material of claim 53, wherein the inclusions comprise grain. 제53항에 있어서, 상기 내포물의 평균 크기가 약 1 내지 약 100 ㎚의 범위인, 열전 재료.The thermoelectric material of claim 53, wherein the average size of the inclusions ranges from about 1 to about 100 nm. 제53항에 있어서, 상기 내포물의 평균 크기가 약 1 내지 약 50 ㎚의 범위인, 열전 재료.The thermoelectric material of claim 53, wherein the average size of the inclusions ranges from about 1 to about 50 nm. 제53항에 있어서, 약 500 ㎚보다 큰 내포물이 실질적으로 존재하지 않는, 열 전 재료.The thermoelectric material of claim 53, wherein substantially no inclusions greater than about 500 nm are present. 제53항에 있어서, 다결정 구조를 나타내는, 열전 재료.55. The thermoelectric material of claim 53, wherein the thermoelectric material exhibits a polycrystalline structure. 제53항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 1.2 이상인 ZT를 나타내는, 열전 재료.The thermoelectric material of claim 53, wherein the thermoelectric material exhibits ZT of at least about 1.2. 제59항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 1.5 이상인 ZT를 나타내는, 열전 재료.60. The thermoelectric material of claim 59, wherein the thermoelectric material exhibits ZT of at least about 1.5. 제60항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 2 이상인 ZT를 나타내는, 열전 재료.61. The thermoelectric material of claim 60, wherein the thermoelectric material exhibits ZT of at least about 2. 다수의 나노 입자를 생성하도록 하나 이상의 벌크 원소 물질을 연삭하는 단계 및 Grinding at least one bulk elemental material to produce a plurality of nanoparticles, and 상기 다수의 나노 입자를 압력하에 승온에서 압축시켜, 약 1 이상의 ZT 값을 나타내는 열전 재료를 생성하도록 하는 단계를 포함하는, 열전 재료의 형성 방법.Compressing the plurality of nanoparticles at elevated temperature under pressure to produce a thermoelectric material exhibiting a ZT value of at least about 1. 제62항에 있어서, 하나 이상의 벌크 원소 물질이 두 개 이상의 상이한 벌크 원소 물질을 포함하고, 또한 연삭 단계가 두 개 이상의 유형의 나노 입자를 생성시킴을 포함하는, 열전 재료의 제조방법.63. The method of claim 62, wherein the at least one bulk element material comprises at least two different bulk element materials, and wherein the grinding step comprises producing at least two types of nanoparticles. 제63항에 있어서, 두 개 이상의 상이한 벌크 원소 물질이 비스무트 및 텔루륨을 포함하는, 열전 재료의 제조방법.64. The method of claim 63, wherein the at least two different bulk element materials comprise bismuth and tellurium. 제63항에 있어서, 두 개 이상의 상이한 벌크 원소 물질이 비스무트, 텔루륨 및 안티몬을 포함하는, 열전 재료의 제조방법.64. The method of claim 63, wherein the at least two different bulk element materials comprise bismuth, tellurium and antimony. 제63항에 있어서, 두 개 이상의 상이한 벌크 원소 물질이 비스무트, 텔루륨 및 셀레늄을 포함하는, 열전 재료의 제조방법.64. The method of claim 63, wherein the at least two different bulk element materials comprise bismuth, tellurium and selenium. 제62항에 있어서, 도펀트를 상기 다수의 나노 입자에 가하는 단계를 추가로 포함하는, 열전 재료의 제조방법.63. The method of claim 62, further comprising adding a dopant to the plurality of nanoparticles. 제62항에 있어서, 합금 및 화합물 중의 하나 이상인 원료 물질을 제공하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 원료 물질은 ZT 값이 약 0.5 이상이며, 상기 다수의 나노 입자를 압축하는 단계는 상기 다수의 나노 입자를 상기 원료 물질로부터의 입자와 압축시킴을 포함하는, 열전 재료의 제조방법.63. The method of claim 62, further comprising providing a raw material that is at least one of an alloy and a compound, wherein the raw material has a ZT value of at least about 0.5 and compacting the plurality of nanoparticles comprises: And compressing the particles with the particles from the raw material. 제62항에 있어서, 마이크론-크기의 입자를 제공하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 다수의 나노 입자를 압축하는 단계는 상기 다수의 나노 입자를 상기 마이 크론 크기의 입자와 압축시킴을 포함하는, 열전 재료의 제조방법.63. The method of claim 62, further comprising providing micron-sized particles, and compacting the plurality of nanoparticles comprises compressing the plurality of nanoparticles with the micron sized particles. Method for producing a thermoelectric material. 평균 크기가 약 1 ㎚ 내지 약 10 마이크론의 범위인 다수의 그레인을 포함하는 물질 구조물을 포함하는 열전 재료로서, 상기 다수의 그레인 중의 적어도 일부는 평균 크기가 약 1 내지 약 100 ㎚의 범위인 하나 이상의 침전 영역을 포함하고, 상기 열전 재료는 약 1 이상의 ZT 값을 나타내는, 열전 재료.A thermoelectric material comprising a material structure comprising a plurality of grains having an average size in the range of about 1 nm to about 10 microns, wherein at least some of the plurality of grains have at least one having an average size in the range of about 1 to about 100 nm. And a precipitation zone, wherein the thermoelectric material exhibits a ZT value of at least about 1. 제70항에 있어서, 상기 그레인의 평균 크기가 약 1 ㎚ 내지 약 5 마이크론의 범위인, 열전 재료.The thermoelectric material of claim 70, wherein the average size of the grains ranges from about 1 nm to about 5 microns. 제71항에 있어서, 상기 그레인의 평균 크기가 약 1 ㎚ 내지 약 2 마이크론의 범위인, 열전 재료.The thermoelectric material of claim 71, wherein the average size of the grains ranges from about 1 nm to about 2 microns. 제70항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 1 내지 약 5의 범위의 ZT 값을 나타내는, 열전 재료.71. The thermoelectric material of claim 70, wherein the thermoelectric material exhibits a ZT value in the range of about 1 to about 5. 제70항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 1.5 이상의 ZT 값을 나타내는, 열전 재료.The thermoelectric material of claim 70, wherein the thermoelectric material exhibits a ZT value of at least about 1.5. 제70항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 2 이상의 ZT 값을 나타내는, 열전 재 료.The thermoelectric material of claim 70, wherein the thermoelectric material exhibits a ZT value of about 2 or greater. 제70항에 있어서, 상기 열전 재료가 약 2000 ℃ 미만의 작동 온도에서 상기 ZT 값을 나타내는, 열전 재료.71. The thermoelectric material of claim 70, wherein the thermoelectric material exhibits the ZT value at an operating temperature of less than about 2000 ° C. 제70항에 있어서, 상기 침전 영역이 약 1 내지 약 50 ㎚의 범위의 평균 크기를 나타내는, 열전 재료.71. The thermoelectric material of claim 70, wherein the precipitation zone exhibits an average size in the range of about 1 to about 50 nm. 제70항에 있어서, 상기 그레인이 비스무트계 합금, 납계 합금 및 규소계 합금 중의 하나 이상으로부터 형성되는, 열전 재료.71. The thermoelectric material of claim 70, wherein the grain is formed from one or more of bismuth based alloys, lead based alloys, and silicon based alloys. 호스트 물질 및 Host material and 상기 호스트 물질 전체에 분산된, 크기가 약 20 마이크론 미만인 다수의 입자를 포함하는 열전 재료로서, A thermoelectric material comprising a plurality of particles of less than about 20 microns in size, dispersed throughout the host material, 상기 열전 재료가, 상기 입자의 부재하에서의 상기 호스트 물질 중의 각각의 캐리어 농도보다 더 높은 캐리어 농도를 나타내는, 열전 재료.The thermoelectric material exhibits a carrier concentration higher than the respective carrier concentration in the host material in the absence of the particles. 제79항에 있어서, 상기 열전 재료의 전하 캐리어 이동도가, 상기 입자의 부재하에서의 상기 호스트 물질 중의 각각의 전하 캐리어 이동도보다 더 큰, 열전 재료.80. The thermoelectric material of claim 79, wherein the charge carrier mobility of the thermoelectric material is greater than each charge carrier mobility in the host material in the absence of the particles. 제79항에 있어서, 상기 다수의 입자가 상기 호스트 물질보다 더 많이 도핑되는, 열전 재료.80. The thermoelectric material of claim 79, wherein the plurality of particles are doped more than the host material. 제79항에 있어서, 상기 열전 재료의 ZT 값이 약 0.8 이상인, 열전 재료.80. The thermoelectric material of claim 79, wherein the ZT value of the thermoelectric material is at least about 0.8. 제79항에 있어서, 상기 호스트 물질이 다수의 그레인을 포함하고, 상기 다수의 그레인 중의 적어도 일부는 약 1 마이크론 미만의 크기를 특징으로 하는, 열전 재료.80. The thermoelectric material of claim 79, wherein the host material comprises a plurality of grains and at least some of the plurality of grains are less than about 1 micron in size. 제79항에 있어서, 상기 호스트 물질이 다수의 그레인을 포함하고, 상기 다수의 그레인 중의 적어도 일부는 약 1 마이크론 이상의 크기를 특징으로 하는, 열전 재료.80. The thermoelectric material of claim 79, wherein the host material comprises a plurality of grains and at least some of the plurality of grains are at least about 1 micron in size. 제1 에너지 밴드를 특징으로 하는 호스트 물질, 및 A host material characterized by a first energy band, and 상기 호스트 물질 중에 분산되고, 크기가 약 20 마이크론 미만이며, 제2 에너지 밴드를 특징으로 하는 다수의 내포물을 포함하는 열전 재료로서, 제2 에너지 밴드가 제1 에너지 밴드에 비하여 더 높은 에너지를 갖는, 열전 재료.A thermoelectric material dispersed in the host material, less than about 20 microns in size, and comprising a plurality of inclusions characterized by a second energy band, wherein the second energy band has a higher energy than the first energy band; Thermoelectric materials. 제85항에 있어서, 상기 에너지 밴드들이 전도 밴드 및 가전자 밴드 중의 하 나 이상인, 열전 재료.86. The thermoelectric material of claim 85, wherein said energy bands are at least one of a conduction band and a valence band. 제85항에 있어서, 상기 열전 재료의 ZT 값이 약 0.8 이상인, 열전 재료.86. The thermoelectric material of claim 85, wherein the ZT value of the thermoelectric material is at least about 0.8. 제85항에 있어서, 상기 호스트 물질이 다수의 그레인을 포함하고, 상기 다수의 그레인 중의 적어도 일부가 약 1 마이크론 미만의 크기를 특징으로 하는, 열전 재료.86. The thermoelectric material of claim 85, wherein the host material comprises a plurality of grains and at least some of the plurality of grains are less than about 1 micron in size. 제85항에 있어서, 상기 호스트 물질이 다수의 그레인을 포함하고, 상기 다수의 그레인 중의 적어도 일부가 약 1 마이크론 이상의 크기를 특징으로 하는, 열전 재료.86. The thermoelectric material of claim 85, wherein the host material comprises a plurality of grains, wherein at least some of the plurality of grains are at least about 1 micron in size. 제85항에 있어서, 상기 다수의 내포물이, 도핑된 물질을 포함하는, 열전 재료.86. The thermoelectric material of claim 85, wherein the plurality of inclusions comprises a doped material. 기체 상 응축, 레이저 어블레이션(laser ablation), 화학적 합성, 급속 분무 냉각법 중의 하나 이상을 사용하여 다수의 나노 입자를 생성시키는 단계 및 Generating a plurality of nanoparticles using one or more of gas phase condensation, laser ablation, chemical synthesis, rapid spray cooling, and 승온에서 압력하에 상기 나노 입자를 고화시켜 ZT 값이 약 0.8 이상인 압축된 열전 재료를 형성시키는 단계를 포함하는, 열전 재료의 제조 방법.Solidifying the nanoparticles under pressure at elevated temperature to form a compressed thermoelectric material having a ZT value of about 0.8 or greater. 제91항에 있어서, 하나 이상의 출발 물질을 볼 밀링시켜 다수의 호스트 입자를 생성시키는 단계를 추가로 포함하고, 상기 나노 입자의 고화 단계가 상기 나노 입자와 상기 다수의 호스트 입자를 고화시킴을 포함하는, 열전 재료의 제조방법.92. The method of claim 91, further comprising ball milling one or more starting materials to produce a plurality of host particles, wherein solidifying the nanoparticles comprises solidifying the nanoparticles and the plurality of host particles. , Thermoelectric material production method.
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