KR20220130451A - Relatively Heavier Cationic And Anionic Substituted Quinary Zintl Compound and Manufacturing Method Thereof - Google Patents

Relatively Heavier Cationic And Anionic Substituted Quinary Zintl Compound and Manufacturing Method Thereof Download PDF

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KR20220130451A KR1020210035354A KR20210035354A KR20220130451A KR 20220130451 A KR20220130451 A KR 20220130451A KR 1020210035354 A KR1020210035354 A KR 1020210035354A KR 20210035354 A KR20210035354 A KR 20210035354A KR 20220130451 A KR20220130451 A KR 20220130451A
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Abstract

By performing anionic p-type tin (Sn) doping for antimony (Sb) and cationic ytterbium (Yb) doping for calcium (Ca) in a Ca_(5-x)Yb_xAl_(2-y)In_ySb_(6-z)Sn_z system containing Al/In mixed locations, the present invention has an effect of exhibiting improved thermoelectric performance as structure complexity and conductivity increase and improved binding coefficient.

Description

상대적으로 무거운 양이온과 음이온이 치환된 오성분 진틀화합물 및 이의 제조방법{Relatively Heavier Cationic And Anionic Substituted Quinary Zintl Compound and Manufacturing Method Thereof} Relatively Heavier Cationic And Anionic Substituted Quinary Zintl Compound and Manufacturing Method Thereof

본 발명은 상대적으로 무거운 양이온과 음이온으로 치환되어 열전특성이 향상된 오성분 진틀화합물 및 이의 제조방법에 관한 것으로 상세하게는 Ca5- x Yb x Al2- y In y Sb6- z Sn z 시스템에서 안티몬(Sb)에 대한 음이온성 p-형 주석(Sn) 도핑 및 칼슘(Ca)에 대한 양이온성 이터븀(Yb) 치환을 수행한 오성분 진틀화합물 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a five - component Jintle compound having improved thermoelectric properties by being substituted with relatively heavy cations and anions , and a method for preparing the same. The present invention relates to a five-component Jintle compound obtained by performing anionic p-type tin (Sn) doping for antimony (Sb) and cationic ytterbium (Yb) substitution for calcium (Ca) and a method for preparing the same.

열전(thermoelectric) 소재는 산업 공장, 발전소, 자동차 등 다양한 자원에서 발생하는 낭비되는 열을 전기로 바꿀 수 있다는 점에서 세계 에너지 소비를 줄일 수 있는 가장 유망한 에너지 재활용 기술 중 하나로 평가된다. Thermoelectric materials are evaluated as one of the most promising energy recycling technologies that can reduce global energy consumption in that they can convert wasted heat generated from various resources such as industrial plants, power plants, and automobiles into electricity.

상기 열전소재로는 진틀상(Zintl phase) 화합물, TAGS, Half-Heusler, PbTe, 및 skutterudites등이 있으며 그 중에서 진틀상(Zintl phase) 화합물은 복잡한 구조에 기반한 반도체 특성과 낮은 열전도율로 인해 고온 열전 응용 분야에 가장 적합한 후보 중 하나로 평가된다. 상기 진틀화합물의 예로서 A14MSb11(A=Ca, Yb;M=Mn, Al), A5Al2Sb6(A=Ca, Yb), A11Pn10(A=Ca, Yb; Pn=Sb, Bi, Sn) 및 A2CdSb2(A=Ca, Yb, Eu)가 있다. The thermoelectric material includes Zintl phase compounds, TAGS, Half-Heusler, PbTe, and skutterudites. Among them, Zintl phase compounds are used for high-temperature thermoelectric applications due to their complex structure-based semiconductor properties and low thermal conductivity. It is evaluated as one of the best candidates for the field. Examples of the Jintle compound include A 14 MSb 11 (A=Ca, Yb; M=Mn, Al), A 5 Al 2 Sb 6 (A=Ca, Yb), A 11 Pn 10 (A=Ca, Yb; Pn) =Sb, Bi, Sn) and A 2 CdSb 2 (A=Ca, Yb, Eu).

최근 연구에 의하면 진틀화합물인 Ca5Al2- x In x Sb6 시스템의 운반자(carrier)는 알루미늄(Al)이 인듐(In)으로 치환되면서 이동도가 증가하게 되며; Ca5Al1.9- x In x Zn0.1Sb6 시스템에서 Al/In 혼합위치가 아연(Zn)으로 도핑되면 운반자의 농도가 증가하여 전기전도도(electrical conductivity)가 향상되는 것이 보고된바 있다. 특히 상기 아연 도핑은 시스템의 포논산란(phonon scattering)을 향상시키므로 상기 시스템의 격자 열전도도(lattice thermal conductivity)가 저하되어 결과적으로 열전성능(ZT)이 향상되는 효과가 있다. 따라서 도핑이 가능한 다양한 원소를 이용하여 종래의 진틀화합물을 개량하면 더욱 향상된 열전성능을 가지는 새로운 소재를 개발할 수 있을 것으로 기대된다. According to a recent study, the carrier of the Ca 5 Al 2- x In x Sb 6 system, which is a synthal compound, increases its mobility as aluminum (Al) is replaced with indium (In); It has been reported that in the Ca 5 Al 1.9- x In x Zn 0.1 Sb 6 system, when the Al/In mixed position is doped with zinc (Zn), the concentration of carriers increases and the electrical conductivity is improved. In particular, since the zinc doping improves phonon scattering of the system, the lattice thermal conductivity of the system is lowered, and as a result, the thermoelectric performance (ZT) is improved. Therefore, it is expected that a new material with improved thermoelectric performance can be developed by improving the conventional Jintle compound using various elements that can be doped.

본 명세서에서 언급된 특허문헌 및 참고문헌은 각각의 문헌이 참조에 의해 개별적이고 명확하게 특정된 것과 동일한 정도로 본 명세서에 참조로 삽입된다. The patents and references mentioned in this specification are hereby incorporated by reference to the same extent as if each publication were individually and expressly specified by reference.

Y. Pei, X. Shi, A. LaLonde, H. Wang, L. Chen, G. J. Snyder, Nature 2011, 473, 66-69. Y. Pei, X. Shi, A. LaLonde, H. Wang, L. Chen, G. J. Snyder, Nature 2011, 473, 66-69. A. Kumar, P. A. Vermeulen, B. J. Kooi, J. Rao, L. van Eijck, S. Schwarzmuller, O. Oeckler, G. R. Blake, Inorg. Chem. 2017, 56, 15091-15100.A. Kumar, P. A. Vermeulen, B. J. Kooi, J. Rao, L. van Eijck, S. Schwarzmuller, O. Oeckler, G. R. Blake, Inorg. Chem. 2017, 56, 15091-15100. W. G. Zeier, J. Schmitt, G. Hautier, U. Aydemir, Z. M. Gibbs, C. Felser, G. J. Snyder, Nature Rev. Mater. 2016, 1, 16032. W. G. Zeier, J. Schmitt, G. Hautier, U. Aydemir, Z. M. Gibbs, C. Felser, G. J. Snyder, Nature Rev. Mater. 2016, 1, 16032. C. Han, G. Tan, T. Varghese, M. G. Kanatzidis, Y. Zhang, ACS Energy Lett. 2018, 3, 818-822.C. Han, G. Tan, T. Varghese, M. G. Kanatzidis, Y. Zhang, ACS Energy Lett. 2018, 3, 818-822. W. Li, J. Wang, Y. Xie, J. L. Gray, J. J. Heremans, H. B. Kang, B. Poudel, S. T. Huxtable, S. Priya, Chem. Mater. 2019, 31, 862-872.W. Li, J. Wang, Y. Xie, J. L. Gray, J. J. Heremans, H. B. Kang, B. Poudel, S. T. Huxtable, S. Priya, Chem. Mater. 2019, 31, 862-872. J. Lee, K. Ahn, K. Kim, H. Jo, J. S. Yoon, D. Moon, W. H. Shin, K. M. Ok, T.-S. You, Cryst. Growth Des. 2019, 19, 3498-3508.J. Lee, K. Ahn, K. Kim, H. Jo, J. S. Yoon, D. Moon, W. H. Shin, K. M. Ok, T.-S. You, Cryst. Growth Des. 2019, 19, 3498-3508. G. Nam, E. Jang, H. Jo, M.- K. Han, S.-J. Kim, K. M. Ok, T.-S. You, Materials 2016, 9, 553.G. Nam, E. Jang, H. Jo, M.- K. Han, S.-J. Kim, K. M. Ok, T.-S. You, Materials 2016, 9, 553. E. S. Toberer, C. A. Cox, S. R. Brown, T. Ikeda, A. F. May, S. M. Kauzlarich, Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 2795-2800.E. S. Toberer, C. A. Cox, S. R. Brown, T. Ikeda, A. F. May, S. M. Kauzlarich, Adv. Funct. Mater. 2008, 18, 2795-2800. G. Nam, W. Choi, H. Jo, K. M. Ok, K. Ahn, T. -S. You, Chem. Mater. 2017, 29, 1384-1395G. Nam, W. Choi, H. Jo, K. M. Ok, K. Ahn, T. -S. You, Chem. Mater. 2017, 29, 1384-1395 G. Nam, W. Choi, J. Lee, S.-J. Lim, H. Jo, K. M. Ok, K. Ahn, T.-S. You, Inorg. Chem. 2017, 56, 7099-7110.G. Nam, W. Choi, J. Lee, S.-J. Lim, H. Jo, K. M. Ok, K. Ahn, T.-S. You, Inorg. Chem. 2017, 56, 7099-7110. Y. Liang, R. Cardoso-Gil, W. Schnelle, J. Zhao, Y. Grin, Solid State Sci. 2013, 18, 127-130.Y. Liang, R. Cardoso-Gil, W. Schnelle, J. Zhao, Y. Grin, Solid State Sci. 2013, 18, 127-130. K. Kim, J. Lee, S. Shin, H. Jo, D. Moon, K. M. Ok, T.-S. You, Cryst. Growth Des. 2020, 20, 746-754.K. Kim, J. Lee, S. Shin, H. Jo, D. Moon, K. M. Ok, T.-S. You, Cryst. Growth Des. 2020, 20, 746-754. K. Kim, H. Jo, K. M. Ok, T.-S. You, Bull. Korean Chem. Soc. 2020, 41, 245-247.K. Kim, H. Jo, K. M. Ok, T.-S. You, Bull. Korean Chem. Soc. 2020, 41, 245-247. A. Zevalkink, J. Swallow, S. Ohno, U. Aydemir, S. Bux, G. J. Snyder, Dalton Trans. 2014, 43, 15872-15878.A. Zevalkink, J. Swallow, S. Ohno, U. Aydemir, S. Bux, G. J. Snyder, Dalton Trans. 2014, 43, 15872-15878. G.-T. Bae, Bull. Korean Chem. Soc. 2019, 40, 780-786.G.-T. Bae, Bull. Korean Chem. Soc. 2019, 40, 780-786. E. S. Toberer, A. Zevalkink, N. Crisosto, J. Snyder, Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 4375-4380.E. S. Toberer, A. Zevalkink, N. Crisosto, J. Snyder, Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 4375-4380. A. Zevalkink, G. S. Pomrehn, S. Johnson, J. Swallow, Z. M. Gibbs, G. J. Snyder, Chem. Mater. 2012, 24, 2091-2098.A. Zevalkink, G. S. Pomrehn, S. Johnson, J. Swallow, Z. M. Gibbs, G. J. Snyder, Chem. Mater. 2012, 24, 2091-2098. S. J. Lim, G. Nam, S. Shin, K. Ahn, Y. Lee, T.-S. You, Inorg. Chem. 2019, 58, 5827-5836.S. J. Lim, G. Nam, S. Shin, K. Ahn, Y. Lee, T.-S. You, Inorg. Chem. 2019, 58, 5827-5836. J. Lee, S. Shin, H. Jo, W. H. Shin, D. Moon, K. M. Ok, T.-S. You, Inorg. Chem. 2020, 59, 13572-13582.J. Lee, S. Shin, H. Jo, W. H. Shin, D. Moon, K. M. Ok, T.-S. You, Inorg. Chem. 2020, 59, 13572-13582. J. Emsley, The Elements; Oxford University Press: New York, 1989.J. Emsley, The Elements; Oxford University Press: New York, 1989. J. Lee, H. Sa, H. Jo, D. Moon, K. M. Ok, T.-S. You, Cryst. Growth Des. 2020, 20, 4503-4511.J. Lee, H. Sa, H. Jo, D. Moon, K. M. Ok, T.-S. You, Cryst. Growth Des. 2020, 20, 4503-4511.

본 발명은 도핑이 가능한 다양한 원소를 이용하여 종래의 진틀화합물을 개량하여 향상된 열전성능을 가지는 새로운 소재를 개발하기 위한 것으로 Al/In 혼합위치를 포함하는 Ca5- x Yb x Al2- y In y Sb6- z Sn z 시스템에서 안티몬(Sb)에 대한 음이온성 p-형 주석(Sn) 도핑 및 칼슘(Ca)에 대한 양이온성 이터븀(Yb) 치환을 수행한 진틀화합물 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to develop a new material having improved thermoelectric performance by improving the conventional Jintle compound using various elements that can be doped, Ca 5- x Yb x Al 2- y In y Provided are a Jintle compound in which anionic p-type tin (Sn) doping for antimony (Sb) and cationic ytterbium (Yb) substitution for calcium (Ca) is performed in a Sb 6- z Sn z system, and a method for preparing the same but it has a purpose.

본 발명의 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 발명의 상세한 설명, 청구의 범위 및 도면에 의해 보다 구체적으로 제시된다. Other objects and technical features of the present invention are set forth more specifically by the following detailed description of the invention, claims and drawings.

본 발명은 알루미늄(aluminum, Al) 원자와 상기 인듐(Indium, In) 원자가 혼합하여 점유하는 Al/In 혼합 원자 위치를 포함하는 진틀화합물에 있어서,The present invention relates to a Jintle compound comprising an Al/In mixed atomic position occupied by a mixture of aluminum (aluminum, Al) atoms and the indium (In) atoms,

다음의 화학식;the following formula;

[화학식][Formula]

Ca5- x Yb x Al2- y In y Sb6- z Sn z (0

Figure pat00001
x
Figure pat00002
3.98; 0.27
Figure pat00003
y
Figure pat00004
0.52; 0
Figure pat00005
z
Figure pat00006
0.56)Ca 5- x Yb x Al 2- y In y Sb 6- z Sn z (0
Figure pat00001
x
Figure pat00002
3.98; 0.27
Figure pat00003
y
Figure pat00004
0.52; 0
Figure pat00005
z
Figure pat00006
0.56)

(여기서, 상기 Ca는 칼슘(calcium)이며; 상기 Yb는 이터븀(ytterbium)이며; 상기 Al은 알루미늄(aluminium)이며; 상기 In은 인듐(indium)이며; 상기 Sb는 안티몬(antimony)이며; 상기 Sn은 주석(tin)이다.);(Wherein, Ca is calcium; Yb is ytterbium; Al is aluminum; In is indium; Sb is antimony; Sn is tin.);

상기 진틀화합물은 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6 또는Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56이며 사방정계 Ca5Ga2Sb6-형(space group Pbam, Pearson code oP26, Z=2) 구조를 가지는 것을 특징으로 한다. The Jintle compound is Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 or Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 and orthorhombic Ca 5 Ga 2 Sb 6 -type (space group Pbam , Pearson code oP 26, Z = 2) It is characterized by having a structure.

상기 진틀화합물은 아크-용융법으로 합성된 후 1062 내지 1082 K의 온도에서 5 내지 9일간 후열처리하여 제조되는 것을 특징으로 한다.The Jintle compound is synthesized by an arc-melting method and is characterized in that it is prepared by post-heat treatment at a temperature of 1062 to 1082 K for 5 to 9 days.

본 발명은 Al/In 혼합위치를 포함하는 Ca5- x Yb x Al2- y In y Sb6- z Sn z 시스템에서 안티몬(Sb)에 대한 음이온성 p-형 주석(Sn) 도핑및 칼슘(Ca)에 대한 양이온성 이터븀(Yb) 치환을 수행한 것이므로 구조의 복잡성 및 전기전도도가 증가하고 제백 계수가 향상되었으므로 향상된 열전성능을 보이는 효과가 있다. The present invention provides anionic p - type tin ( Sn ) doping and calcium ( Sn ) doping and calcium ( Since the cationic ytterbium (Yb) substitution for Ca) is performed, the complexity and electrical conductivity of the structure are increased, and the Seebeck coefficient is improved, so there is an effect of showing improved thermoelectric performance.

도 1은 본 발명의 표제 화합물에 대한 PXRD 분석결과를 보여준다. 패널(a)는 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6에 대한 결과를 보여주며, 패널(b)는 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56에 대한 결과를 보여준다.
도 2는 본 발명의 표제 화합물 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6의 후열처리에 따른 상전이 결과를 보여준다.
도 3은 본 발명의 표제 화합물의 결정구조를 보여준다. 패널(a)는 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56의 음이온성 [(Al/In)2(Sb/Sn)8] 이량체의 구조를 보여주며, 패널(b)는 1차원 (1D) 음이온 사슬(

Figure pat00007
)과 양이온 원자위치로 구성된 단위 셀(unit cell)을 보여주며, 패널(c), (d) 및 (e)는 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6의 세 가지 Ca/Yb 혼합 원자 위치를 보여준다.
도 4는 본 발명의 표제 화합물에 대한 DOS 분석 결과 및 밴드 구조 분석 결과를 보여준다. 패널(a) Ca5Al1.5In0.5Sb6에 대한 DOS 분석 결과 및 밴드 구조 분석 결과를 보여주며, 패널(b)는 Ca5Al1.5In0.5Sb5.5Sn0.5에 대한 DOS 분석 결과 및 밴드 구조 분석 결과를 보여준다. E F는 점선으로 표시하였으며, TDOS는 검정색의 굵은 선으로 표시하였으며 Ca PDOS는 회색 영역으로 표시하였으며, Sb PDOS는 노란색 영역으로 표시하였으며, Sn PDOS는 핑크색 영역으로 표시하였으며, Al PDOS는 보라색 역역으로 표시하였으며, In PDOS는 녹색 영역으로 표시하였다.1 shows the results of PXRD analysis of the title compound of the present invention. Panel (a) shows the results for Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 , and panel (b) shows the results for Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 .
2 shows the results of the phase transition according to the post-heat treatment of the title compound Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 of the present invention.
3 shows the crystal structure of the title compound of the present invention. Panel (a) shows the structure of the anionic [(Al/In) 2 (Sb/Sn) 8 ] dimer of Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 , and panel (b) shows the one-dimensional (1D) anion chain (
Figure pat00007
) and cation atomic positions are shown, and panels (c), (d) and (e) show three Ca/Yb mixed atomic positions: Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 . show
4 shows the results of DOS analysis and band structure analysis for the title compound of the present invention. Panel (a) shows DOS analysis results and band structure analysis for Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 6 , and panel (b) shows DOS analysis results and band structure analysis for Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 5.5 Sn 0.5 show the results E F is indicated by a dotted line, TDOS is indicated by a thick black line, Ca PDOS is indicated by a gray region, Sb PDOS is indicated by a yellow region, Sn PDOS is indicated by a pink region, and Al PDOS is indicated by a purple region. is indicated, and In PDOS is indicated by a green area.

본 발명은 알루미늄(Aluminum, Al) 원자와 상기 인듐(Indium, In) 원자가 혼합하여 점유하는 Al/In 혼합 원자 위치를 포함하는 진틀화합물에 있어서,The present invention relates to a Jintle compound comprising an Al/In mixed atomic position occupied by a mixture of aluminum (Aluminum, Al) atoms and the indium (In) atoms,

다음의 화학식;the following formula;

[화학식][Formula]

Ca5- x Yb x Al2- y In y Sb6- z Sn z (0

Figure pat00008
x
Figure pat00009
3.98; 0.27
Figure pat00010
y
Figure pat00011
0.52; 0
Figure pat00012
z
Figure pat00013
0.56)Ca 5- x Yb x Al 2- y In y Sb 6- z Sn z (0
Figure pat00008
x
Figure pat00009
3.98; 0.27
Figure pat00010
y
Figure pat00011
0.52; 0
Figure pat00012
z
Figure pat00013
0.56)

(여기서, 상기 Ca는 칼슘(calcium)이며; 상기 Yb는 이터븀(ytterbium)이며; 상기 Al은 알루미늄(aluminium)이며; 상기 In은 인듐(indium)이며; 상기 Sb는 안티몬(antimony)이며; 상기 Sn은 주석(tin)이다.);(Wherein, Ca is calcium; Yb is ytterbium; Al is aluminum; In is indium; Sb is antimony; Sn is tin.);

으로 표시되는 진틀화합물(Zintle compound)을 제공한다.It provides a Zintle compound represented by .

본 발명의 진틀화합물은 오성분 진틀화합물로서 사성분 화합물인 Ca5Al2-xInxSb6 시리즈의 오성분 유도체이다.The Jintle compound of the present invention is a five-component Jintle compound and is a five-component derivative of the four-component compound Ca 5 Al 2-x In x Sb 6 series.

상기 진틀화합물은 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6 또는 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56인 것을 특징으로 하며 상기 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6는 양이온성 원자인 Ca이 양이온성 원자인 Yb로 치환된 유도체이며 상기 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56는 음이온성 원자인 Sb이 음이온성 원자인 p-형 Sn으로 도핑된 유도체이다.The Jintle compound is characterized in that Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 or Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 , and the Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 is the cationic atom Ca is cationic. The derivative is substituted with the atom Yb, and the Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 is a derivative in which the anionic atom Sb is doped with the anionic atom p-type Sn.

상기 진틀화합물은 아크-용용법을 이용하여 합성한 화합물을 1062 내지 1082 K 온도에서 5 내지 9일간 후열처리하는 방법으로 제조된다. The Jintle compound is prepared by post-heating the compound synthesized using the arc-dissolution method at a temperature of 1062 to 1082 K for 5 to 9 days.

상기 진틀화합물 중 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6에 대한 제조방법은 반응물인 Ca, Yb, Al, In, Sb를 Ca:Yb:Al:In:Sb=1:4:1.5:0.5:6 비율로 혼합한 후 아크 용융로에서 용융 및 반응시켜 오성분 진틀화합물을 합성하는 제 1 단계; 상기 합성된 오성분 진틀화합물에 대하여 6회 이상 재용융과 냉각을 반복하는 방법으로 균질도가 향상된 제 2 오성분 진틀화합물을 제조하는 제 2 단계; 및 상기 제 2 오성분 진틀화합물에 대하여 1062 내지 1082 K의 온도에서 5 내지 9일간 후열처리하여 오성분 진틀화합물인 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6를 제조하는 제 3 단계;를 포함한다.The preparation method for Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 among the Jintle compounds is to react Ca, Yb, Al, In, Sb with Ca:Yb:Al:In:Sb=1:4:1.5:0.5:6. A first step of synthesizing the five-component Jintle compound by mixing in a ratio and then melting and reacting in an arc melting furnace; a second step of preparing a second five-component Jintle compound with improved homogeneity by repeating remelting and cooling six or more times for the synthesized five-component Jintle compound; and a third step of producing Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 , which is a five-component Jintle compound, by post-heating the second five-component Jintle compound at a temperature of 1062 to 1082 K for 5 to 9 days.

상기 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6은 특히 아크-용융법으로 제조된 당시에는 Ba5Al2Bi6형 결정상을 가지나 상기 후열처리후에는 Ca5Ga2Sb6형(space group Pbam, Pearson code oP26, Z=2) 구조를 가지는 특징이 있다.The Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 has a Ba 5 Al 2 Bi 6 type crystal phase at the time of particularly arc-melting method, but after the post-heat treatment, Ca 5 Ga 2 Sb 6 type (space group Pbam , Pearson Code oP 26, Z = 2) has a structure.

상기 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6 결정상의 상세구조는 Al/In 혼합 원자 위치를 혼합 점유하는 Al 원자 및 In 원자, Sb1 원자 위치를 점유하는 Sb 원자, Sb2 원자 위치를 점유하는 Sb 원자, 및 Sb3 원자 위치를 점유하는 Sb 원자로 구성된 1 차원 음이온 사슬([(Al/In)2(Sb1)2(Sb2)2(Sb3)2])이 c-축을 따라 이어지며 Ca1/Yb1 혼합 원자 위치를 혼합 점유하는 Ca 원자 및 Yb 원자, Ca2/Yb2 혼합 원자 위치를 혼합 점유하는 Ca 원자 및 Yb 원자, 및 Ca3/Yb3 혼합 원자 위치를 혼합 점유하는 Ca 원자 및 Yb 원자로 구성된 양이온 원자가 상기 1 차원 음이온 사슬 사이의 공극을 채우는 것을 특징으로 한다. The detailed structure of the Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 crystal phase is an Al atom and an In atom occupying a mixed atomic position of Al/In, an Sb atom occupying the Sb1 atomic position, an Sb atom occupying an Sb2 atomic position, and a one-dimensional anion chain ([(Al/In) 2 (Sb1) 2 (Sb2) 2 (Sb3) 2 ]) consisting of Sb atoms occupying the Sb3 atomic positions runs along the c-axis and forms the Ca1/Yb1 mixed atomic positions. A cation atom composed of a Ca atom and Yb atom mixedly occupying a Ca2/Yb2 mixed atomic position, a Ca atom and a Yb atom mixed and occupied a Ca3/Yb3 mixed atomic position, and a Ca atom and a Yb atom mixed and occupying the Ca3/Yb3 mixed atomic position is between the one-dimensional anion chains. It is characterized in that it fills the voids of

따라서 본 발명의 오성분 진틀화합물 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6은 사성분 화합물인 Ca5Al2-xInxSb6 시리즈에 대비하여 Ca(원자량 40.08, 전기음성도 1.0)이 Yb(원자량 173.04, 전기음성도 1.1)로 도핑되어 유효질량값이 증가하고 원자가 전기전도도가 증가하며 결정구조가 고도화되므로 열전성능이 향상된 장점이 있다. Therefore, the five-component Jintle compound of the present invention Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 is the Ca 5 Al 2-x In x Sb 6 series, which is a four-component compound, Ca (atomic weight 40.08, electronegativity 1.0) is Yb ( Since it is doped with an atomic weight of 173.04 and electronegativity 1.1), the effective mass value is increased, the valence electrical conductivity is increased, and the crystal structure is advanced, so the thermoelectric performance is improved.

상기 진틀화합물 중 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56의 제조방법은 반응물인 Ca, Al, In, Sn을 Ca:Al:In:Sb:Sn=5:1.5:0.5:5.3:0.7의 비율로 혼합한 후 아크 용융로에서 용융 및 반응시켜 오성분 진틀화합물을 합성하는 제 1 단계; 상기 합성된 오성분 진틀화합물에 대하여 6회 이상 재용융과 냉각을 반복하는 방법으로 균질도가 향상된 제 2 오성분 진틀화합물을 제조하는 제 2 단계; 및 상기 제 2 오성분 진틀화합물에 대하여 1062 내지 1082 K의 온도에서 5 내지 9일간 후열처리하여 오성분 진틀화합물인 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56을 제조하는 제 3 단계;를 포함한다.The method for preparing Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 of the Jintle compound is a method for preparing reactants Ca, Al, In, and Sn in a ratio of Ca:Al:In:Sb:Sn=5:1.5:0.5:5.3:0.7. A first step of synthesizing a five-component Jintle compound by mixing and then melting and reacting in an arc melting furnace; a second step of preparing a second five-component Jintle compound with improved homogeneity by repeating remelting and cooling six or more times for the synthesized five-component Jintle compound; and a third step of producing Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 , which is a five-component Jintle compound, by post-heating the second five-component Jintle compound at a temperature of 1062 to 1082 K for 5 to 9 days.

상기 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56은 아크-용융법으로 합성된 결정상 및 후열처리후 제조된 결정상 모두 Ca5Ga2Sb6형(space group Pbam, Pearson code oP26, Z=2) 구조를 가지는 특징이 있다. The Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 has a Ca 5 Ga 2 Sb 6 type (space group Pbam , Pearson code oP 26, Z = 2) structure in both the crystalline phase synthesized by arc-melting and the crystalline phase prepared after post-heat treatment. has the characteristics of

상기 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56 결정상의 상세구조는 Al/In 혼합 원자 위치를 혼합 점유하는 Al 원자 및 In 원자, Sb1 원자 위치를 점유하는 Sb 원자, Sb2/Sn 혼합 원자 위치를 혼합 점유하는 Sb 원자와 Sn 원자, 및 Sb3 원자 위치를 점유하는 Sb 원자로 구성된 1 차원 음이온 사슬([(Al/In)2(Sb1)2(Sb2/Sn)2(Sb3)2])이 c-축을 따라 이어지며 Ca1 원자 위치를 점유하는 Ca 원자, Ca2 원자 위치를 점유하는 Ca 원자, 및 Ca3 원자 위치를 점유하는 Ca 원자로 구성된 양이온 원자가 상기 1 차원 음이온 사슬 사이의 공극을 채우는 것을 특징으로 한다. The detailed structure of the Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 crystal phase is an Al atom and In atom occupying the Al/In mixed atomic position, an Sb atom occupying the Sb1 atomic position, and the Sb2/Sn mixed atomic position. A one-dimensional anion chain ([(Al/In) 2 (Sb1) 2 (Sb2/Sn) 2 (Sb3) 2 ]) consisting of Sb and Sn atoms, and Sb atoms occupying the Sb3 atomic positions, is formed along the c-axis. Subsequently, it is characterized in that a cation atom composed of a Ca atom occupying a Ca1 atomic position, a Ca atom occupying a Ca2 atomic position, and a Ca atom occupying a Ca3 atomic position fills the void between the one-dimensional anion chains.

따라서 본 발명의 오성분 진틀화합물 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56은 사성분 화합물인 Ca5Al2-xInxSb6 시리즈에 대비하여 Sb가 p-형 Sn로 도핑되어 전기전도도가 향상되며 유효질량값이 증가하여 제백 계수가 향상되고 열전도도가 저하되며 결정상의 구조가 고도화되므로 열전성능이 향상된 장점이 있다. 상기 결과는 상기 Sb가 p-형 Sn로 도핑되어 Sn p-오비탈이 화합물의 전자구조에 기여하였기 때문으로 판단된다.Therefore, the five-component Jintle compound of the present invention Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 has improved electrical conductivity because Sb is doped with p-type Sn compared to the Ca 5 Al 2-x In x Sb 6 series, which is a four-component compound. As the effective mass value increases, the Seebeck coefficient is improved, the thermal conductivity is lowered, and the crystalline structure is advanced, so the thermoelectric performance is improved. The above result is considered to be because the Sb was doped with p-type Sn and the Sn p-orbital contributed to the electronic structure of the compound.

하기에서 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples.

실시예 Example

1. 실험방법1. Experimental method

1) 화합물의 합성1) Synthesis of compounds

모든 샘플의 준비 과정은 0.1 ppm 이하의 O2 및 H2O 함량 또는 진공 상태에서 아르곤(Ar) 가스가 채워진 글로브 박스 내부에서 수행되었다. 반응물 Ca(shot, 99.5%), Yb(ingot, 99.9%), Al(shot, 99.9%), In(shot, 99.99%), Sb(shot, 99.999%), 및 Sn(shot, 99.8%)은 모두 Alfa Aesar에서 구입하였다. All samples were prepared in a glove box filled with argon (Ar) gas at an O 2 and H 2 O content of 0.1 ppm or less or under vacuum. The reactants Ca(shot, 99.5%), Yb(ingot, 99.9%), Al(shot, 99.9%), In(shot, 99.99%), Sb(shot, 99.999%), and Sn(shot, 99.8%) are All were purchased from Alfa Aesar.

Ca 및 Yb 잉곳의 황변(tan)된 표면은 사용하기 전에 메스 또는 금속 브러시로 긁어 청소하였다. 두 가지 오성분 표제 화합물은 아크-용융법을 이용하여 합성하였다. Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6은 반응물을 Ca:Yb:Al:In:Sb=1:4:1.5:0.5:6의 비율로 혼합하여 합성하였으며 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56은 반응물을 Ca:Al:In:Sb:Sn=5:1.5:0.5:5.3:0.7의 비율로 혼합하여 합성하였다.The tanned surfaces of Ca and Yb ingots were cleaned by scraping with a scalpel or metal brush before use. The two five-component title compounds were synthesized using arc-melting method. Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 silver reactant was mixed in a ratio of Ca:Yb:Al:In:Sb=1:4:1.5:0.5:6, and Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 was synthesized. The reactants were synthesized by mixing in a ratio of Ca:Al:In:Sb:Sn=5:1.5:0.5:5.3:0.7.

화합물의 균질성을 보장하기 위해 최소 6회 재용해 되었으며 최초 합성 후 일주일 동안 1072 K에서 어닐링(후열처리)하였다. 그 결과 상기 Ca/Yb 혼합물을 포함하는 표제 화합물, Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6는 원래의 Ba5Al2Bi6형에서 Ca5Ga2Sb6형으로 고체상 전이를 나타낸 것으로 확인되었다. 이러한 유형의 상전이는 이전에 사성분 및 오성분 유사체(analog)에서 관찰된 바 있으며 그 예로서 Ca5- x Yb x Al2Sb6(1

Figure pat00014
x
Figure pat00015
5), CaYb4Al2Sb6- x Ge x (x=0.2, 0.5, 0.7), 및 Ca5- x Yb x Al2- y In y Sb6(3.07(1)
Figure pat00016
x
Figure pat00017
4.88(2); 0.16(2)
Figure pat00018
y
Figure pat00019
2.00) 시스템이 있다. 도 2의 패널(a) 및 (b)는 상기 특정한 상전이에 대한 PXRD 패턴을 보여준다. To ensure the homogeneity of the compound, it was redissolved at least 6 times and annealed (post-heat treatment) at 1072 K for one week after the initial synthesis. As a result, it was confirmed that the title compound containing the Ca/Yb mixture, Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 , exhibited a solid phase transition from the original Ba 5 Al 2 Bi 6 form to the Ca 5 Ga 2 Sb 6 form. This type of phase transition has been previously observed in four-component and five-component analogs, for example Ca 5 - x Yb x Al 2 Sb 6 (1
Figure pat00014
x
Figure pat00015
5), CaYb 4 Al 2 Sb 6- x Ge x ( x =0.2, 0.5, 0.7), and Ca 5- x Yb x Al 2- y In y Sb 6 (3.07(1))
Figure pat00016
x
Figure pat00017
4.88(2); 0.16(2)
Figure pat00018
y
Figure pat00019
2.00) system. Panels (a) and (b) of FIG. 2 show PXRD patterns for the specific phase transition.

2) 결정구조 결정2) Determination of crystal structure

두 가지 표제 화합물에 대하여 분말 X-선 회절(Powder X-Ray Diffraction, PXRD) 및 단결정 X-선 회절(Single-crystal X-ray Diffraction, SXRD) 실험을 수행하였다. 상기 PXRD 패턴은 면적 검출기와 단색 Cu Kα1 방사선이 장착된 브루커(Bruker) D8 회절계를 사용하여 실온에서 수득하였다. 수집 단계 크기는 15°

Figure pat00020
Figure pat00021
75° 범위에서 0.05°로 설정되었으며 각 샘플 당 총 노출 시간은 1 시간이었다. 상기 두 가지 표제 화합물의 상(phase) 순도는 수집된 PXRD 패턴과 두 가지 SXRD 개선(refinement) 결과를 이용하여 만든 시뮬레이션 패턴을 비교하는 방법으로 확인하였다. Powder X-Ray Diffraction (PXRD) and Single-crystal X-ray Diffraction (SXRD) experiments were performed on the two title compounds. The PXRD patterns were obtained at room temperature using a Bruker D8 diffractometer equipped with an area detector and monochromatic Cu Kα1 radiation. Acquisition stage size is 15°
Figure pat00020
Figure pat00021
The 75° range was set at 0.05° and the total exposure time for each sample was 1 hour. The phase purity of the two title compounds was confirmed by comparing the collected PXRD patterns and simulation patterns made using the two SXRD refinement results.

분석결과 아크 용융법으로 합성된 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6와 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56는 각각 Ba5Al2Bi6형과 Ca5Ga2Sb6형으로 채택되었다. 그러나 후열처리(어닐링)를 더 수행한 결과 Ca/Yb 혼합 원자를 포함하는 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6은 Ba5Al2Bi6형에서 Ca5Ga2Sb6형으로 상전이가 이루어진 것이 확인되었다(도 3의 패널(a) 및 (b)). As a result of the analysis, Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 and Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 synthesized by arc melting method were adopted as Ba 5 Al 2 Bi 6 type and Ca 5 Ga 2 Sb 6 type, respectively. However, as a result of further post-heat treatment (annealing), Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 containing Ca/Yb mixed atoms showed a phase transition from Ba 5 Al 2 Bi 6 type to Ca 5 Ga 2 Sb 6 type. was confirmed (panels (a) and (b) in FIG. 3).

두 가지 표제 화합물에 대한 SXRD 데이터는 포항 가속기 연구소(Pohang accelerator laboratory, PAL)에서 실리콘(111) 이중 결정 모노크로메이터(double crystal monochromator, DCM)를 사용하는 BL2D SMC의 Rayonix MX225HS 검출기에서 싱크로트론 방사선(λ=0.61000 Å)을 이용하여 실온에서 수집되었다. PAL BL2D-SMDC 프로그램을 이용하여 데이터 수집(검출기 거리 66mm, 오메가 스캔, △ω=3°, 노출시간 0.6초/프레임)을 수행하였으며 HKL3000sm (Ver. 716.7)를 이용하여는 데이터 통합 및 축소를 수행하였다. SXRD data for the two title compounds were obtained from synchrotron radiation (λ) from the Rayonix MX225HS detector of BL2D SMC using a silicon(111) double crystal monochromator (DCM) at Pohang accelerator laboratory (PAL). =0.61000 Å) at room temperature. Data collection (detector distance 66mm, omega scan, Δω=3°, exposure time 0.6sec/frame) was performed using the PAL BL2D-SMDC program, and data integration and reduction was performed using the HKL3000sm (Ver. 716.7). did.

단위셀 매개변수 개선은 SAINT 프로그램을 사용하여 수행되었으며, SADABS는 등가를 기반으로 한 반 경험적 흡수 보정을 수행하는 데 사용하였다. 상기 과정을 통하여 두 가지 오성분 표제화합물에 대한 전체 반사 세트는 사방 정계 공간 그룹 Pbam을 가지는 것으로 확인되었으며 전체 등형 결정 구조는 Ca5Ga2Sb6형으로 조정되었다. Unit cell parameter improvement was performed using the SAINT program, and SADABS was used to perform semi-empirical absorption corrections based on equivalence. Through the above process, the total reflection set for the two five-component title compounds was confirmed to have an orthorhombic space group Pbam , and the overall isomorphic crystal structure was adjusted to Ca 5 Ga 2 Sb 6 type.

상세한 결정구조는 직접 방법으로 결정되었으며 F 2에서 전체 행렬 최소 제곱 방법으로 수렴하도록 세분화되었다. 개선된 매개변수로는 스케일 인자(scale factor), 이방성 변위 매개변수(anisotropic displacement parameters, ADP)를 포함하는 원자 위치, 소광 계수(extinction coefficient) 및 Ca/Yb 혼합 원자 위치, Al/In 혼합 원자 위치 및 Sb/Sn 혼합 원자 위치의 점유 인자(occupancy factor)가 포함되었다. 중요한 결정학적 데이터, ADP를 포함하는 원자 위치 및 선택한 원자 간 거리정보는 표 1, 2 및 3에 기재되어 있다. The detailed crystal structure was determined by the direct method and subdivided to converge to the full matrix least squares method in F 2 . Improved parameters include scale factor, atomic position including anisotropic displacement parameters (ADP), extinction coefficient and Ca/Yb mixed atomic position, Al/In mixed atomic position and the occupancy factor of Sb/Sn mixed atomic positions. Important crystallographic data, atomic positions including ADP, and selected interatomic distances are listed in Tables 1, 2 and 3.

상기 SXRD 데이터는 캠브리지 데이터 센터(www.ccdc.cam.ac.uk/data_request/cif)에서 확인 할 수 있으며 예탁번호 CCDC-2053273(Ca1.02Yb3.98Al1.46In0.52Sb6) 및 CCDC-2053272(Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56)으로 확인할 수 있다.The SXRD data can be found at the Cambridge Data Center (www.ccdc.cam.ac.uk/data_request/cif), and accession numbers CCDC-2053273 (Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.46 In 0.52 Sb 6 ) and CCDC-2053272 (Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 ).

3) 전자구조계산3) Calculation of electronic structure

Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56에서 Sb에 대한 p-형 Sn 도핑의 전자 수송 특성 및 Sb2 원자 위치에 대한 p-형 Sn 도핑의 영향을 이해하기 위해, 원자구 근사법(atomic sphere approximation, ASA)을 사용하는 밀접결합 선형머핀-주석 오비탈(tight-binding linear muffin-tin orbital, TB-LMTO)법을 이용하여 Ca5Al1.5In0.5Sb5.5Sn0.5의 이상적인 구성을 가진 가상 모델에 대한 일련의 이론적 계산을 수행하였다. To understand the electron transport properties of p-type Sn doping for Sb in Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 and the effect of p-type Sn doping on Sb2 atomic positions, atomic sphere approximation (ASA) ) using a tight-binding linear muffin-tin orbital (TB-LMTO) method for a series of hypothetical models with an ideal configuration of Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 5.5 Sn 0.5 Theoretical calculations were performed.

상기 특정 화학구성을 적용하기 위해 모델의 대칭을 개선된 Pbam에서 하위 그룹인 Pm으로 낮추고 단위 셀의 크기를 c축 방향을 따라 두 배로 늘리는 방법으로 확장된 단위 셀에서 교대 원자배열을 허용하였다. 상기 기본 격자 매개 변수와 원자 좌표는 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56의 SXRD 개선 결과로부터 추출되었다. 비교를 위해 p-형 Sn이 도핑 되지 않은 사성분 표제화합물(Ca5Al1.5In0.5Sb6)에 대하여 일련의 계산을 수행하였다. In order to apply the specific chemical composition, alternating atomic arrangement was allowed in the expanded unit cell by lowering the model symmetry from the improved Pbam to the subgroup Pm and doubling the size of the unit cell along the c-axis direction. The basic lattice parameters and atomic coordinates were extracted from the SXRD improvement results of Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 . For comparison, a series of calculations were performed for the four-component title compound (Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 6 ) not doped with p-type Sn.

스핀-궤도 결합을 제외한 모든 상대론적 효과는 스칼라 상대론적 근사를 사용하여 고려되었다. 상기 ASA 방법에서 공간은 겹치는 WS(Wigner-Seitz) 원자구체로 채워졌다. 각 WS 원자구 내부의 포텐셜에 대한 대칭은 구형으로 간주되었으며 겹치는 부분을 고려하기 위해 결합된 보정이 사용되었다. WS 원자구의 반경은 중첩 전위가 최대 전위에 대한 최상의 근사치가 되도록 설정하였으며 자동절차에 의해 결정되었다. 결합된 보정에 의해 도입된 운동 에너지의 오류는 상대적인 WS 원자구 중첩(sphere overlap)의 4승에 비례한다. 따라서 상기 WS 원자구 중첩은 너무 크지 않도록 하는 것이 바람직하다. All relativistic effects except spin-orbit coupling were considered using scalar relativistic approximations. In the ASA method, the space was filled with overlapping Wigner-Seitz (WS) atomic spheres. The symmetry of the potentials inside each WS sphere was considered spherical and a combined correction was used to account for overlap. The radius of the WS sphere was set so that the superposition dislocation was the best approximation to the maximum dislocation and was determined by an automated procedure. The error in kinetic energy introduced by the combined correction is proportional to the fourth power of the relative WS sphere overlap. Therefore, it is preferable that the overlap of the WS atomic spheres is not too large.

본 발명에서 사용한 WS 원자구의 반경은 다음과 같다: Ca5Al1.5In0.5Sb5.5Sn0.5의 경우 Ca=2.14 내지 2.21 Å, Al=1.57Å, In=1.61 Å, Sb=1.70 내지 1.76 Å, 및 Sn=1.72 내지 1.76 Å; Ca5Al1.5In0.5Sb6의 경우 Ca=2.14 내지 2.21 Å, Al=1.57 Å, In=1.61 Å, 및 Sb=1.70 내지 1.76 Å. The radius of the WS sphere used in the present invention is as follows: Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 5.5 Sn 0.5 Ca=2.14 to 2.21 Å, Al=1.57 Å, In=1.61 Å, Sb=1.70 to 1.76 Å, and Sn=1.72 to 1.76 Å; For Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 6 , Ca=2.14 to 2.21 Å, Al=1.57 Å, In=1.61 Å, and Sb=1.70 to 1.76 Å.

각 원소에 대한 오비탈은 다음과 같이 세팅되었다: Ca의 경우 4s 오비탈, 4p 오비탈 및 3d 오비탈; Al의 경우 6s 오비탈, 6p 오비탈, 3s 오비탈, 3p 오비탈, 및 3d 오비탈; In의 경우 5s 오비탈, 5p 오비탈, 5d 오비탈, 및 4f 오비탈; Sb의 경우 5s 오비탈, 5p 오비탈, 5d 오비탈, 및 4f 오비탈; Sn의 경우 5s 오비탈, 5p 오비탈, 5d 오비탈, 및 4f 오비탈.The orbitals for each element were set as follows: 4 s orbitals, 4 p orbitals and 3 d orbitals for Ca; for Al, 6 s orbitals, 6 p orbitals, 3 s orbitals, 3 p orbitals, and 3 d orbitals; 5 s orbitals, 5 p orbitals, 5 d orbitals, and 4 f orbitals for In; 5 s orbitals, 5 p orbitals, 5 d orbitals, and 4 f orbitals for Sb; For Sn, 5 s orbitals, 5 p orbitals, 5 d orbitals, and 4 f orbitals.

Ca의 4p 오비탈, Al의 3d 오비탈; In의 5d 및 4f 오비탈; Sb의 5d 및 4f 오비탈; 및 Sn의 5d, 및 4f 오비탈은 로딘 다운폴딩(L

Figure pat00022
wdin downfolding) 방법으로 처리되었다. k-공간 통합은 사면체 방법으로 수행되었으며 일관된 전하밀도는 Brillouin 영역에서 320개의 더는 단순화할 수 없는 k-포인트를 사용하여 얻었다.4 p orbital of Ca, 3 d orbital of Al; 5 d and 4 f orbitals of In; 5 d and 4 f orbitals of Sb; and 5 d , and 4 f orbitals of Sn are rhodin downfolding (L
Figure pat00022
wdin downfolding) method. The k -space integration was performed with the tetrahedral method and consistent charge densities were obtained using 320 non-simplified k -points in the Brillouin region.

4) 에너지 분산형 X-선 분광 분석 4) Energy dispersive X-ray spectroscopy

원소 분석은 ULTRA Plus 파일 방출 주사 전자 현미경(ULTRA Plus filed-emission scanning electron microscope) 시스템에 장착된 에너지 분산형 X-선 분광법(energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS)을 통해 수행되었으며 가속 전압은 30 kV가 적용되었다.Elemental analysis was performed by energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) mounted on a ULTRA Plus filed-emission scanning electron microscope system, with an accelerating voltage of 30 kV was applied.

Sn 도핑된 반응물 배치에서 여러 개의 단결정을 선택한 후 상기 단결정을 Ar 충전 글로브 박스에서 양면 전도성 탄소 테이프를 사용하여 알루미늄 퍽의 둘레에 조심스럽게 장착하였다.After selecting several single crystals from the Sn-doped reactant batch, the single crystals were carefully mounted around the perimeter of an aluminum puck using double-sided conductive carbon tape in an Ar-filled glove box.

EDS 분석결과 Ca5.08Al1.48In0.24Sb5.67Sn0.34의 결과는 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56의 SXRD 개선 결과와 서로 유사한 것으로 확인된다.As a result of EDS analysis, it is confirmed that the result of Ca 5.08 Al 1.48 In 0.24 Sb 5.67 Sn 0.34 is similar to the SXRD improvement result of Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 .

2. 실험결과 및 토의2. Experimental results and discussion

본 발명의 아크 용융 및 후열처리(어닐링) 방법을 통하여 두 가지 오성분계 진틀상 화합물, Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6 및 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56을 성공적으로 합성하였으며, 그 결정 구조에 대하여 PXRD 및 SXRD 분석을 수행하였다. 도 1 의 패널 (a) 및 (b)는 본 발명의 표제 화합물의 PXRD 패턴과 시뮬레이션 패턴을 비교한 결과를 보여준다.Through the arc melting and post-heat treatment (annealing) method of the present invention, two five-component compound-like compounds, Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 and Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 , were successfully synthesized. PXRD and SXRD analysis was performed on the crystal structure. Panels (a) and (b) of FIG. 1 show the results of comparing the PXRD pattern and the simulation pattern of the title compound of the present invention.

상기 표제 화합물은 오성분 고용체 Ca5- x Yb x Al2- y In y Sb6- z Sn z 시스템에 속하는 것으로 판단된다. 따라서 상기 표제 화합물은 사성분 화합물인 Ca5Al2- x In x Sb6 시리즈의 오성분계 유도체이며 상세하게는 Ca이 양이온성 Yb로 치환된 유도체(Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6) 및 Sb가 p-형 Sn 도핑된 유도체(Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56)The title compound is considered to belong to the five-component solid solution Ca 5- x Yb x Al 2- y In y Sb 6- z Sn z system. Accordingly, the title compound is a five-component derivative of the Ca 5 Al 2- x In x Sb 6 series of four-component compounds, specifically, a derivative in which Ca is substituted with cationic Yb (Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 ) and Sb is a p-type Sn doped derivative (Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 )

인 것으로 판단된다.is considered to be

상기 두 가지 표제 화합물(Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6 및 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56)의 밀도와 결정도를 개선하기 위해 아크 용융 합성 후 일주일 동안 후열처리(어닐링, annealing) 공정을 적용하였다.To improve the density and crystallinity of the two title compounds (Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 and Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 ), post-heat treatment (annealing) process for one week after arc melting synthesis was applied.

본 발명의 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6는 후열처리에 의한 고체상 단일 결정간 상전이를 보인다. 상기 결과는 Ca/Yb 혼합 원자를 포함하는 화합물 중 Yb가 풍부한 화합물, 즉 A5M2Pn6(A=alkali metal, alkaline-earth metals, rare-earth metals; M=Al, Ga, In; Pn=pnictogens) 시스템에서만 이루어지는 것으로 알려져 있으며 그 예로서 Ca5- x Yb x Al2Sb6(1

Figure pat00023
x
Figure pat00024
5), CaYb4Al2Sb6- x Ge x (x=0.2, 0.5, 0.7), 및 Ca5- x Yb x Al2- y In y Sb6(3.07
Figure pat00025
x
Figure pat00026
4.88; 0.16
Figure pat00027
y
Figure pat00028
2.00)시스템이 있다.Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 of the present invention shows a phase transition between solid phase single crystals by post-heat treatment. The above results show that among compounds containing a Ca/Yb mixed atom, Yb-rich compounds, that is, A 5 M 2 Pn 6 (A=alkali metal, alkaline-earth metals, rare-earth metals; M=Al, Ga, In; Pn) =pnictogens) is known to occur only in the system, for example, Ca 5- x Yb x Al 2 Sb 6 (1
Figure pat00023
x
Figure pat00024
5), CaYb 4 Al 2 Sb 6- x Ge x ( x =0.2, 0.5, 0.7), and Ca 5- x Yb x Al 2- y In y Sb 6 (3.07
Figure pat00025
x
Figure pat00026
4.88; 0.16
Figure pat00027
y
Figure pat00028
2.00) system.

따라서 상기 두 가지 동형 표제화합물 모두 일곱 개의 결정학적으로 독립된 원자 위치를 가지는 사방정계 Ca5Ga2Sb6-형(space group Pbam, Pearson code oP26, Z=2)인 것으로 판단되며 상기 원자 위치는 3개의 양이온 원자 위치, 1개의 Al/In 혼합 원자 위치 및 3개의 Sb 원자 위치 또는 Sb/Sn 혼합 원자 위치이다. 상세한 SXRD 개선결과는 표 1, 2 및 표 3에 기재되어 있다CTherefore, it is determined that both of the two isomorphic title compounds are orthorhombic Ca 5 Ga 2 Sb 6 -type (space group Pbam , Pearson code oP 26, Z = 2) having seven crystallographically independent atomic positions, and the atomic positions are 3 cation atom positions, 1 Al/In mixed atomic position and 3 Sb atomic positions or Sb/Sn mixed atomic positions. Detailed SXRD improvement results are shown in Tables 1, 2 and 3C

Figure pat00029
Figure pat00029

Figure pat00030
Figure pat00030

Figure pat00031
Figure pat00031

추가적으로 종래의 Sn 도핑 화합물인 Ca5.08Al1.48In0.24Sb5.67Sn0.34에 대한 EDS 분석을 통해 화학구성을 확인한 결과 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56의 SXRD 개선 결과와 잘 일치하는 것으로 확인되었다.Additionally, as a result of confirming the chemical composition through EDS analysis of Ca 5.08 Al 1.48 In 0.24 Sb 5.67 Sn 0.34 , which is a conventional Sn doped compound, it was confirmed that it was in good agreement with the SXRD improvement result of Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 .

도 3은 본 발명의 두 가지 표제화합물의 동형 결정 구조를 보여준다. 전체 구조는 c 축 방향을 따라 진행하는 무한한 1차원 (1D) 음이온 사슬(

Figure pat00032
)과 상기 1차원 음이온 사슬 사이의 공간을 채우는 세 가지 유형의 양이온 위치로 설명된다. 특히 상기 1차원 음이온 사슬은 두 개의 이웃한 [(Al/In)2(Sb/Sn)4] 이량체가 네 개의 꼭지점 Sb3 원자들을 공유하여 구성되는 것으로 설명되며 상기 1차원 음이온 사슬은 Sb1 원자를 통해 연결된 두 개의 인접한 사면체[(Al/In)(Sb/Sn)4] 단위로도 설명된다. 더욱이, 세 개의 양이온 원자 위치는 여섯 개 또는 일곱 개의 Sb 원자 위치 또는 Sb/Sn 혼합 원자 위치로 둘러싸여 있다. Ca1/Yb1 혼합 원자 위치와 Ca3/Yb3 혼합 원자 위치는 각각 약간 왜곡된 팔면체의 중심에 위치하는 반면 Ca2/Yb2 혼합 원자 위치는 두 모서리로 덮인 사각형 피라미드의 중앙에 위치한다(도 3의 패널(c), (d), 및 (e) 참조). 흥미롭게도 두 개의 6 배위 양이온 원자 위치 사이에 존재하는 Ca3/Yb3 혼합 원자 위치는 중앙 원자 위치와 주변 Sb 원자 위치 또는 Sb/Sn 혼합 원자 위치 사이의 원자간 거리를 기반으로 Ca1/Yb1 혼합 원자 위치에 대한 대칭적인 팔면체 기하학을 가지고 있다. 또한 상기 7-배위 Ca2/Yb2 혼합 원자 위치는 다른 세 개의 양이온 원자 위치 중 가장 큰 위치 부피를 가지는 것으로 확인된다. 따라서 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6에서 관찰되는 Ca 및 Yb의 위치 선호도는 상대적으로 작은 크기의 Ca의 경우 Ca3/Yb3 혼합 원자 위치에서 가장 큰 점유를 보여주며 상대적으로 더 큰 크기의 Yb의 경우 Ca2/Yb2 혼합 원자 위치에서 가장 큰 점유를 보여준다. 상기 결과는 각 원소의 크기 인자 기준(size-factor criterion)에 의해 설명된다. Ca와 Yb의 공유반경은 각각 r(Ca2+)=1.06 Å, 및 r(Yb2+)=1.13 Å이다. 3 shows the isoform crystal structures of two title compounds of the present invention. The overall structure consists of an infinite one-dimensional (1D) anion chain running along the c-axis direction (
Figure pat00032
) and the three types of cation positions that fill the space between the one-dimensional anion chains. In particular, the one-dimensional anion chain is described as being composed of two neighboring [(Al/In) 2 (Sb/Sn) 4 ] dimers sharing four vertex Sb3 atoms, and the one-dimensional anion chain is formed through an Sb1 atom It is also described as two adjacent tetrahedral [(Al/In)(Sb/Sn) 4 ] units connected. Moreover, three cation atomic positions are surrounded by six or seven Sb atomic positions or mixed Sb/Sn atomic positions. The Ca1/Yb1 mixed atomic position and the Ca3/Yb3 mixed atomic position are located at the center of the slightly distorted octahedron, respectively, while the Ca2/Yb2 mixed atomic position is located at the center of a quadrangular pyramid covered with two corners (Fig. 3, panel (c)). ), (d), and (e)). Interestingly, the Ca3/Yb3 mixed atomic positions existing between the two 6-coordinated cation atomic positions are located at the Ca1/Yb1 mixed atomic positions based on the interatomic distance between the central and peripheral Sb atomic positions or the Sb/Sn mixed atomic positions. It has a symmetrical octahedral geometry. In addition, it is confirmed that the 7-coordinated Ca2/Yb2 mixed atomic position has the largest position volume among the other three cation atom positions. Therefore, the positional preferences of Ca and Yb observed in Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 show the largest occupancy at the Ca3/Yb3 mixed atomic position for Ca of relatively small size, and that of Yb of relatively larger size. The case shows the largest occupancy at the Ca2/Yb2 mixed atomic position. The result is explained by the size-factor criterion of each element. The covalent radii of Ca and Yb are r (Ca 2+ )=1.06 Å, and r (Yb 2+ )=1.13 Å, respectively.

이에 반하여 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56에 있어서 Sb2 원자 위치에 대한 음이온성 Sn의 위치 선호도는 크기 인자 기준(size-factor criterion)으로 설명되지 않는데 그 이유는 음이온성 원소인 Sb와 Sn이 매우 유사한 공유 반경(r(Sb)=1.41 Å 및 r(Sn)=1.40 Å)을 가지기 때문으로 판단된다. 따라서 상기 음이온 위치 선호도는 크기 인자 기준이 아닌 전자 인자 기준(electronic-factor criterion)에 의해 설명된다. 상기 음이온 위치선호도에 대하여는 하기 전자 계산 섹션에서 상세히 설명한다.In contrast, in Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 , the position preference of anionic Sn to the Sb2 atomic position is not explained by the size-factor criterion, because the anionic elements Sb and Sn It is thought that this is because they have very similar covalent radii ( r (Sb) = 1.41 Å and r (Sn) = 1.40 Å). Thus, the negative ion position preference is described by the electronic-factor criterion rather than the size factor criterion. The negative ion position preference will be described in detail in the electronic calculation section below.

본 발명의 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56의 전기 수송 특성(electrical transport property)에 대한 p-형 Sn 도핑의 잠재적 영향 및 전자 인자 기준에 의해 설명 가능한 세 가지 Sb 원자 위치에 대한 Sn의 위치 선호도를 확인하기 위하여 가상 구조 모델, Ca5Al1.5In0.5Sb5.5Sn0.5를 설계하고 이에 대하여 TB-LMTO-ASA 방법을 이용한 일련의 이론적 계산을 수행하였다. 가상 구조 모델, Ca5Al1.5In0.5Sb5.5Sn0.5의 구조정보는 하기 표 4와 같다.The potential effect of p-type Sn doping on the electrical transport properties of Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 of the present invention and the position of Sn relative to the three Sb atomic positions explainable by the electron factor criterion To confirm the preference, a virtual structure model, Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 5.5 Sn 0.5 was designed and a series of theoretical calculations were performed using the TB-LMTO-ASA method. Structural information of the virtual structure model, Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 5.5 Sn 0.5 is shown in Table 4 below.

Chemical formulaChemical formula Ca5Al1.5In0.5Sb5.5Sn0.5 Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 5.5 Sn 0.5 Space groupspace group Pm (No.6) Pm (No.6) Unit cell dimensions (Å)Unit cell dimensions (Å) a = 14.1030; b = 8.9500; c = 12.0960 a = 14.1030; b = 8.9500; c = 12.0960 Volume (Å3)Volume (Å 3 ) 1526.781526.78 Atomic coordinatesAtomic coordinates AtomAtom Wyckoff siteWyckoff site xx yy zz Ca1Ca1 2c 2 c 0.24790.2479 0.25000.2500 0.34230.3423 Ca2Ca2 2c 2 c 0.74790.7479 0.25000.2500 0.65770.6577 Ca3Ca3 2c 2 c 0.75210.7521 0.75000.7500 0.15770.1577 Ca4Ca4 2c 2 c 0.25210.2521 0.75000.7500 0.84230.8423 Ca5Ca5 2c 2 c 0.01240.0124 0.25000.2500 0.57460.5746 Ca6Ca6 2c 2 c 0.51240.5124 0.25000.2500 0.42540.4254 Ca7Ca7 2c 2 c 0.98760.9876 0.75000.7500 0.92540.9254 Ca8Ca8 2c 2 c 0.48760.4876 0.75000.7500 0.07460.0746 Ca9Ca9 2c 2 c 0.00000.0000 0.25000.2500 0.25000.2500 Ca10Ca10 2c 2 c 0.50000.5000 0.25000.2500 0.75000.7500 Sb1Sb1 1a 1 a 0.59900.5990 0.00000.0000 0.22510.2251 Sb2Sb2 1b 1 b 0.09900.0990 0.50000.5000 0.77490.7749 Sb3Sb3 1a 1 a 0.90100.9010 0.00000.0000 0.72510.7251 Sb4Sb4 1b 1 b 0.40100.4010 0.50000.5000 0.27490.2749 Sb5Sb5 1a 1 a 0.40100.4010 0.00000.0000 0.27490.2749 Sb6Sb6 1b 1 b 0.90100.9010 0.50000.5000 0.72510.7251 Sb7Sb7 1a 1 a 0.09900.0990 0.00000.0000 0.77490.7749 Sb8Sb8 1b 1 b 0.59900.5990 0.50000.5000 0.22510.2251 Sn1Sn1 1a 1 a 0.90570.9057 0.00000.0000 0.09390.0939 Sb9Sb9 1b 1 b 0.40570.4057 0.50000.5000 0.90610.9061 Sn2Sn2 1a 1 a 0.59430.5943 0.00000.0000 0.59390.5939 Sb10Sb10 1b 1 b 0.09430.0943 0.50000.5000 0.40610.4061 Sb11Sb11 1a 1 a 0.09430.0943 0.00000.0000 0.40610.4061 Sb12Sb12 1b 1 b 0.59430.5943 0.50000.5000 0.59390.5939 Sb13Sb13 1a 1 a 0.40570.4057 0.00000.0000 0.90610.9061 Sb14Sb14 1b 1 b 0.90570.9057 0.50000.5000 0.09390.0939 Sb15Sb15 2c 2 c 0.32140.3214 0.25000.2500 0.58960.5896 Sb16Sb16 2c 2 c 0.82140.8214 0.25000.2500 0.41040.4104 Sb17Sb17 2c 2 c 0.67860.6786 0.75000.7500 0.91040.9104 Sb18Sb18 2c 2 c 0.17860.1786 0.75000.7500 0.08960.0896 In1In1 1a 1 a 0.78610.7861 0.00000.0000 0.91750.9175 In2In2 1b 1 b 0.28610.2861 0.50000.5000 0.08250.0825 Al1Al1 1a 1 a 0.71390.7139 0.00000.0000 0.41750.4175 Al2Al2 1b 1 b 0.21390.2139 0.50000.5000 0.58250.5825 Al3Al3 1a 1 a 0.21390.2139 0.00000.0000 0.58250.5825 Al4Al4 1b 1 b 0.71390.7139 0.50000.5000 0.41750.4175 Al5Al5 1a 1 a 0.28610.2861 0.00000.0000 0.08260.0826 Al6Al6 1b 1 b 0.78610.7861 0.50000.5000 0.91740.9174

또한 본 발명의 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56에 대한 DOS 곡선 및 밴드 구조를 분석하고 Sn이 도핑되지 않은 사성분 모화합물인 Ca5Al1.5In0.5Sb6의 결과와 비교하였다. In addition, the DOS curve and band structure of Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 of the present invention were analyzed and compared with the results of Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 6 , a four-component parent compound undoped with Sn.

그 결과를 정리하면 하기와 같다.The results are summarized as follows.

첫째, 상기 두 가지 화합물의 전체 DOS(TDOS) 및 부분 DOS(PDOS) 곡선은 전체 에너지 범위에 걸쳐 전반적인 궤도 혼합을 보여주는 것으로 판단된다(도 4의 패널(a) 및 (b) 참조). 특히 Ca5Al1.5In0.5Sb5.5Sn0.5의 DOS 곡선의 경우 약 -6.5 내지 -4.7 eV 사이의 낮은 에너지에 해당하는 페르미 수준(Fermi level, E F) 아래 영역은 대부분 음이온 원자의 s-오비탈 상태를 포함하는 것으로 확인된다. 이에 반하여 -4.3 eV에서 E F까지의 영역은 Ca d-오비탈의 일부 기여와 함께 이러한 원자의 p-오비탈 상태를 포함하는 것으로 확인된다. 흥미롭게도 E F에서 Ca5Al1.5In0.5Sb5.5Sn0.5의 원자가 전자수(valence electron count) 45.5 VEC에 해당할 때 TDOS 값은 Ca5Al1.5In0.5Sb6의 원자가 전자수(valence electron count) 46.0 VEC에 해당할 때 TDOS 값보다 약간 증가한 것으로 확인되는데 이는 p-형 Sn 도핑으로 인한 것으로 판단된다(도 4의 패널(b) 참조). 상기와 같은 TDOS 값의 증가는 p-형 Sn 도핑 표제화합물의 전기전도도(electric conductivity) 향상으로 이어진다.First, the total DOS (TDOS) and partial DOS (PDOS) curves of the two compounds are judged to show overall orbital mixing over the entire energy range (see panels (a) and (b) of FIG. 4 ). In particular, in the case of the DOS curve of Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 5.5 Sn 0.5 , the region below the Fermi level ( EF ) corresponding to a low energy between about -6.5 and -4.7 eV is mostly the s-orbital state of anion atoms. is found to contain In contrast, the region from -4.3 eV to EF is found to contain the p-orbital state of these atoms with some contribution of Ca d-orbitals. Interestingly, when the valence electron count of Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 5.5 Sn 0.5 in EF corresponds to 45.5 VEC, the TDOS value is the valence electron count of Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 6 . When it corresponds to 46.0 VEC, it is confirmed that the TDOS value is slightly increased, which is determined to be due to p-type Sn doping (refer to panel (b) of FIG. 4 ). The increase in the TDOS value as described above leads to an improvement in the electrical conductivity of the p-type Sn-doped title compound.

둘째, 새로 추가된 Sn p-오비탈 상태의 가장 큰 기여는 대부분 -0.5 eV 내지 E F사이의 영역에 집중되어 있는 것으로 확인된다. 따라서 상기 영역의 TDOS 및 PDOS 곡선은 크게 향상되어 Γ, Х 및 U 지점에서 밴드 극한(band extrema)이 증가하는 것으로 확인되며 p-형 Sn 도핑으로 인해 Γ와 Z 지점 및 Γ 및 Х 지점 사이의 영역은 밴드 구조(band structure)가 이중으로 퇴화되는 양상을 보인다(도 4의 패널(b) 참조). 따라서 상기 Ca5Al1.5In0.5Sb5.5Sn0.5의 밴드 극한 증가 및 밴드 구조의 퇴화는 유효 질량 증가를 의미하며 이는 제백 계수(seebeck coefficient) 향상으로 이어진다. 상기 결과는 종래의 Ge-도핑 오성분 유사체인 CaYb4Al2Sb6- x Ge x (x=0.2, 0.5, 0.7) 시스템의 결과에 의해 지지된다. 추가적으로 Ca/Yb 혼합 원자를 포함하는 화합물 및 Sb/Sn 혼합 원자를 포함하는 화합물로 인한 원자 장애(atomic disordering)는 포논 산란(phonon scattering)에 영향을 주는 것으로 확인되며 이는 결국 열전도도(thermal conductivity)의 저하로 이어진다.Second, it is confirmed that the largest contribution of the newly added Sn p-orbital state is mostly concentrated in the region between -0.5 eV and EF . Therefore, the TDOS and PDOS curves of the region are greatly improved, confirming that the band extrema at the Γ, Х and U points increases, and the region between the Γ and Z points and Γ and Х points due to p-type Sn doping. shows that the band structure is doubly degraded (see panel (b) of FIG. 4 ). Therefore, the increase in the band limit of Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 5.5 Sn 0.5 and the degradation of the band structure mean an increase in effective mass, which leads to improvement of the Seebeck coefficient. This result is supported by the results of the conventional Ge-doped pentacomponent analog CaYb 4 Al 2 Sb 6- x Ge x ( x =0.2, 0.5, 0.7) system. Additionally, atomic disordering due to the compound containing Ca/Yb mixed atoms and the compound containing Sb/Sn mixed atoms was found to affect phonon scattering, which in turn resulted in thermal conductivity. leads to a decrease in

셋째, 전자 인자 기준에 기반한 Sb2 원자 위치에 대한 음이온성 Sn의 위치 선호도를 이해하기 위하여 사성분 모화합물, Ca5Al1.5In0.5Sb6에 대한 각 원자 위치의 QVAL을 분석하였다. 상기에서 설명한 바와 같이 Sb와 Sn은 매우 유사한 원자 크기를 가진다. 따라서 Sb 및 Sn과 관련된 위치 선호도는 크기 인자 기준이 아닌 전자 인자 기준에 의해 설명되어야 한다. 상기 전자 인자 기준은 특정 원자 부위의 QVAL과 그 부위를 차지하는 원자의 전기 음성도에 기반한다. 상기 Ca5Al1.5In0.5Sb6의 각 부위에 대해 계산된 QVAL에 따르면, Sb2 원자 위치는 가장 작은 QVAL을 가지며 이는 Sb2 원자 위치가 사용 가능한 세 개의 Sb 원자 위치 중에서 가장 낮은 전자 밀도를 포함하고 있음을 의미한다(표 5 참조).Third, in order to understand the position preference of anionic Sn for the Sb2 atomic position based on the electron factor criterion, the QVAL of each atomic position for the four-component parent compound, Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 6 , was analyzed. As described above, Sb and Sn have very similar atomic sizes. Therefore, the positional preference associated with Sb and Sn should be explained by the electronic factor criterion rather than the size factor criterion. The electron factor criterion is based on the QVAL of a specific atomic site and the electronegativity of the atom occupying the site. According to the calculated QVAL for each site of Ca 5 Al 1.5 In 0.5 Sb 6 , the Sb2 atomic position has the smallest QVAL, which means that the Sb2 atomic position contains the lowest electron density among the three available Sb atomic positions. means (see Table 5).

AtomAtom Ca1Ca1 Ca2Ca2 Ca3Ca3 AlAl Sb1Sb1 Sb2Sb2 Sb3Sb3 Wyckoff siteWyckoff site 4g 4 g 4g 4 g 2a 2 a 4h 4 h 4h 4 h 4h 4 h 4h 4 h QVALQVAL 2.6912.691 2.7342.734 2.5162.516 2.6562.656 4.5314.531 4.5084.508 4.6134.613

따라서 Sb 원자의 전기 음성도(Sb=2.05 in Pauling scale)보다 상대적으로 낮은 전기 음성도를 가지는 Sn 원자(Sn=1.96 in Pauling scale)는 Sb2 원자 위치를 점유할 것으로 판단된다. Therefore, it is determined that the Sn atom (Sn=1.96 in Pauling scale) having a relatively lower electronegativity than the electronegativity of the Sb atom (Sb=2.05 in Pauling scale) will occupy the Sb2 atomic position.

본 발명의 결과를 정리하면 하기와 같다.The results of the present invention are summarized as follows.

1) 본 발명의 오성분 화합물(Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6 및 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56)은 아크 용융 및 후열처리 과정을 통하여 합성되었다. 특히, Ca가 Yb로 도핑되어 Ca/Yb 혼합 원자를 포함하는 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6는 후열처리 후 Ba5Al2Bi6형에서 Ca5Ga2Sb6형으로의 상전이를 보였으나 Ca가 Yb로 치환되지 않아 Ca만을 포함하는 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56은 후열처리에도 원래의 Ca5Ga2Sb6형을 유지하는 것으로 확인되었다. 1) The five-component compounds of the present invention (Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 and Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 ) were synthesized through arc melting and post-heat treatment. In particular, Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 containing Ca/Yb mixed atoms doped with Ca showed a phase transition from Ba 5 Al 2 Bi 6 type to Ca 5 Ga 2 Sb 6 type after post-heat treatment. It was confirmed that Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 containing only Ca because Ca was not substituted with Yb maintained the original Ca 5 Ga 2 Sb 6 type even after post-heat treatment.

2) 두 가지 표제 화합물의 등형 결정 구조는 1 차원 음이온 사슬(

Figure pat00033
)과 상기 1 차원 음이온 사슬 사이의 공극을 채우는 세 가지 유형의 양이온 원자 위치 조합으로 설명될 수 있다. 양이온성 Ca 및 Yb의 위치 선호도는 크기 인자 기준에 의해 설명되는 반면, 음이온성 Sb 및 Sn의 위치선호도는 전자 인자 기준에 의해 설명된다.2) The isoform crystal structures of the two title compounds are the one-dimensional anionic chains (
Figure pat00033
) and the three types of cation atom position combinations that fill the voids between the one-dimensional anionic chains. The position preference of cationic Ca and Yb is explained by size factor criteria, whereas the position preference of anionic Sb and Sn is explained by electron factor criteria.

3) TB-LMTO 계산에 의한 p-형 Sn 도핑 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56에 대한 밴드 구조 분석 결과 p-형 Sn은 E F에서 DOS 수준을 증가시켰으며 이는 전기전도도의 증가로 이어진다. 또한 특정 지점에서의 밴드 극한(band extrema)의 증가 및 밴드 구조의 퇴화(band degeneracy)는 유효질량에 영향을 미치는 것으로 확인되었으며 이는 상기 Sn-도핑 표제 화합물의 제백 계수 개선으로 이어진다.3) As a result of band structure analysis for p-type Sn-doped Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 by TB- LMTO calculation, p-type Sn increased the DOS level in EF , which leads to an increase in electrical conductivity. . In addition, it was confirmed that the increase in the band extrema and the band degeneracy at a specific point affect the effective mass, which leads to the improvement of the Seebeck coefficient of the Sn-doped title compound.

본 명세서에서 설명된 구체적인 실시예는 본 발명의 바람직한 구현예 또는 예시를 대표하는 의미이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않는다. 본 발명의 변형과 다른 용도가 본 명세서 특허청구범위에 기재된 발명의 범위로부터 벗어나지 않는다는 것은 당업자에게 명백하다. The specific examples described herein are meant to represent preferred embodiments or examples of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereby. It will be apparent to those skilled in the art that modifications and other uses of the present invention do not depart from the scope of the invention as set forth in the claims herein.

Claims (6)

Al 원자와 상기 In 원자가 혼합하여 점유하는 Al/In 혼합 원자 위치를 포함하는 진틀화합물에 있어서,
다음의 화학식;
[화학식]
Ca5- x Yb x Al2- y In y Sb6- z Sn z (0
Figure pat00034
x
Figure pat00035
3.98; 0.27
Figure pat00036
y
Figure pat00037
0.52; 0
Figure pat00038
z
Figure pat00039
0.56)
(여기서, 상기 Ca는 칼슘(calcium)이며; 상기 Yb는 이터븀(ytterbium)이며; 상기 Al은 알루미늄(aluminium)이며; 상기 In은 인듐(indium)이며; 상기 Sb는 안티몬(antimony)이며; 상기 Sn은 주석(tin)이다.);
으로 표시되는 진틀화합물.
In the Jintle compound comprising an Al/In mixed atomic position occupied by a mixture of Al atoms and the In atoms,
the following formula;
[Formula]
Ca 5- x Yb x Al 2- y In y Sb 6- z Sn z (0
Figure pat00034
x
Figure pat00035
3.98; 0.27
Figure pat00036
y
Figure pat00037
0.52; 0
Figure pat00038
z
Figure pat00039
0.56)
(Wherein, Ca is calcium; Yb is ytterbium; Al is aluminum; In is indium; Sb is antimony; Sn is tin.);
Jintle compound represented by .
제 1 항에 있어서 상기 진틀화합물은 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6 또는Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56인 것을 특징으로 하는 진틀화합물.
The Jintle compound according to claim 1, wherein the Jintle compound is Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 or Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 .
제 2 항에 있어서, 상기 진틀화합물의 결정상은 사방정계 Ca5Ga2Sb6-형(space group Pbam, Pearson code oP26, Z=2) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 진틀화합물.
The Jintle compound according to claim 2, wherein the crystalline phase of the Jintle compound has an orthorhombic Ca 5 Ga 2 Sb 6 -type (space group Pbam , Pearson code oP 26, Z = 2) structure.
제 2 항에 있어서, 상기 Ca1.02Yb3.98Al1.48In0.52Sb6의 결정상은 Al/In 혼합 원자 위치를 혼합 점유하는 Al 원자 및 In 원자, Sb1 원자 위치를 점유하는 Sb 원자, Sb2 원자 위치를 점유하는 Sb 원자, 및 Sb3 원자 위치를 점유하는 Sb 원자로 구성된 1 차원 음이온 사슬([(Al/In)2(Sb1)2(Sb2)2(Sb3)2])이 c-축을 따라 이어지며 Ca1/Yb1 혼합 원자 위치를 혼합 점유하는 Ca 원자 및 Yb 원자, Ca2/Yb2 혼합 원자 위치를 혼합 점유하는 Ca 원자 및 Yb 원자, 및 Ca3/Yb3 혼합 원자 위치를 혼합 점유하는 Ca 원자 및 Yb 원자로 구성된 양이온 원자가 상기 1 차원 음이온 사슬 사이의 공극을 채우는 것을 특징으로 하는 진틀화합물.
According to claim 2, wherein the crystalline phase of Ca 1.02 Yb 3.98 Al 1.48 In 0.52 Sb 6 Al and In atoms occupying mixed atomic positions of Al/In, Sb atoms occupying Sb1 atomic positions, Sb2 occupying atomic positions A one-dimensional anion chain ([(Al/In) 2 (Sb1) 2 (Sb2) 2 (Sb3) 2 ]) runs along the c-axis and runs along the c-axis, A cation atom composed of a Ca atom and Yb atom mixedly occupying a mixed atomic position, a Ca atom and a Yb atom mixed and occupying a Ca2/Yb2 mixed atomic position, and a Ca atom and a Yb atom mixed and occupying a Ca3/Yb3 mixed atomic position is 1 Jintle compound, characterized in that it fills the voids between the dimensional anion chains.
제 2 항에 있어서, 상기 Ca5Al1.73In0.27Sb5.44Sn0.56의 결정상은 Al/In 혼합 원자 위치를 혼합 점유하는 Al 원자 및 In 원자, Sb1 원자 위치를 점유하는 Sb 원자, Sb2/Sn 혼합 원자 위치를 혼합 점유하는 Sb 원자와 Sn 원자, 및 Sb3 원자 위치를 점유하는 Sb 원자로 구성된 1 차원 음이온 사슬([(Al/In)2(Sb1)2(Sb2/Sn)2(Sb3)2])이 c-축을 따라 이어지며 Ca1 원자 위치를 점유하는 Ca 원자, Ca2 원자 위치를 점유하는 Ca 원자, 및 Ca3 원자 위치를 점유하는 Ca 원자로 구성된 양이온 원자가 상기 1 차원 음이온 사슬 사이의 공극을 채우는 것을 특징으로 하는 진틀화합물.
3. The method according to claim 2, wherein the crystalline phase of Ca 5 Al 1.73 In 0.27 Sb 5.44 Sn 0.56 is an Al atom and an In atom occupying the Al/In mixed atomic position, an Sb atom occupying the Sb1 atomic position, and a Sb2/Sn mixed atom. A one-dimensional anion chain ([(Al/In) 2 (Sb1) 2 (Sb2/Sn) 2 (Sb3) 2 ]) composed of an Sb atom and Sn atom occupying a mixed position, and an Sb atom occupying an Sb3 atom position is formed. Cationic atoms running along the c-axis and comprising a Ca atom occupying the Ca1 atomic position, a Ca atom occupying the Ca2 atomic position, and a Ca atom occupying the Ca3 atomic position fill the voids between the one-dimensional anion chains mud compound.
제 1 항에 있어서, 상기 진틀화합물은 아크-용융법으로 합성된 후 1062 내지 1082 K의 온도에서 5 내지 9일간 후열처리하여 제조되는 것을 특징으로 하는 진틀화합물.
The Jintle compound according to claim 1, wherein the Jintle compound is prepared by post-heat treatment at a temperature of 1062 to 1082 K for 5 to 9 days after being synthesized by an arc-melting method.
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