KR20220152723A - Thermoelectric snte nanocomposite with ternary-compound coating layer and preparing method thereof - Google Patents

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KR20220152723A
KR20220152723A KR1020210059999A KR20210059999A KR20220152723A KR 20220152723 A KR20220152723 A KR 20220152723A KR 1020210059999 A KR1020210059999 A KR 1020210059999A KR 20210059999 A KR20210059999 A KR 20210059999A KR 20220152723 A KR20220152723 A KR 20220152723A
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황준필
한미경
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김우철
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이화여자대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a thermoelectric element including a ternary material coating layer and a manufacturing method thereof. The thermoelectric element includes a binary chalcogenide material core and a ternary material coating layer. Therefore, the thermoelectric element generates an energy filtering effect due to a significant energy potential barrier between the binary chalcogenide material core and the ternary material coating layer to increase a Seebeck coefficient of the thermoelectric element and increase a thermoelectric performance figure accordingly.

Description

삼원계 물질 코팅층을 포함하는 열전 소재 및 이의 제조방법{THERMOELECTRIC SNTE NANOCOMPOSITE WITH TERNARY-COMPOUND COATING LAYER AND PREPARING METHOD THEREOF}Thermoelectric material including ternary material coating layer and manufacturing method thereof

본원은, 삼원계 물질 코팅층을 포함하는 열전 소재, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.The present application relates to a thermoelectric material including a ternary material coating layer, and a manufacturing method thereof.

열전 소자는 열과 전기를 직접적으로 변환할 수 있는 소자로서, 폐열 회수 시스템 분야 등에서 사용되어 왔다. PbTe 합금 열전 소재는 중온 범위에서 우수한 열전 성능 지수를 가지므로 폐열 회수 분야에서 많이 사용되어 왔고, 최근에는 SnTe 등의 친환경 원소로 구성된 열전 소재의 연구가 활발히 진행되어 왔다.A thermoelectric element is an element capable of directly converting heat and electricity, and has been used in the field of waste heat recovery systems and the like. Since PbTe alloy thermoelectric materials have an excellent thermoelectric figure of merit in a medium temperature range, they have been widely used in the field of waste heat recovery, and recently, research on thermoelectric materials composed of eco-friendly elements such as SnTe has been actively conducted.

한편, 열전 소자의 변환 효율은 열전 성능 지수라고 불리는 무차원 지수의 함수로서 zT=S2σT/(κLe)로 나타낼 수 있다 (S: 제벡 계수, σ: 전기 전도도, κL: 격자 열전도도, κe: 전자 열 전도도). 열전 성능 지수를 향상시키기 위한 전략으로 파워팩터(powerfactor, S2σ)를 증가시키거나 열전도도(κLe)를 감소시키는 것이 제안되어 왔다. 그러나 제벡 계수 및 전기 전도도는 역수 관계이기 때문에 파워팩터를 증가시키는 것은 어렵다. 하기 식 1의 볼츠만 수송 방정식(Boltzmann transport equation)으로부터 제벡 계수는 DOS(density of state, D(E)), 산란 시간(τ(E)) 및 페르미-디락 분포(Fermi-Dirac distribution) 등의 함수로써 유도될 수 있다:On the other hand, the conversion efficiency of a thermoelectric element can be expressed as zT=S 2 σT/(κ Le ) as a function of a dimensionless index called thermoelectric figure of merit (S: Seebeck coefficient, σ: electrical conductivity, κ L : lattice thermal conductivity, κ e : electronic thermal conductivity). As a strategy for improving the thermoelectric figure of merit, increasing the power factor (S 2 σ) or decreasing the thermal conductivity (κ Le ) has been proposed. However, since the Seebeck coefficient and electrical conductivity have an inverse relationship, it is difficult to increase the power factor. From the Boltzmann transport equation of Equation 1 below, the Seebeck coefficient is a function of density of state (DOS, D(E)), scattering time (τ(E)), and Fermi-Dirac distribution can be derived as:

[식 1][Equation 1]

Figure pat00001
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Figure pat00001
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여기서, E는 전자 에너지, τ는 산란 시간, D는 상태 밀도, F는 페르미-디락 분포 함수이다. 상기 식 1의 분모는 전기 전도도이다. 그러므로, 제벡 계수 및 전기 전도도를 벌크(bulk) 물질에서 동시에 향상시키는 것은 매우 어렵다.where E is the electron energy, τ is the scattering time, D is the density of states, and F is the Fermi-Dirac distribution function. The denominator of Equation 1 is the electrical conductivity. Therefore, it is very difficult to simultaneously improve the Seebeck coefficient and electrical conductivity in bulk materials.

그리고, 전기 전도도를 최소화 시키면서 동시에 제벡 계수를 향상시키고자 하는 많은 나노 기술적 시도가 진행되어 왔다. 제벡 계수는 페르미 준위(Fermi level) 근처에서 D(E) 및 τ(E)를 조절함으로써 향상될 수 있고, D(E)의 조절은 공명 도핑 또는 양자 구속 효과에 의해 실행될 수 있으며, τ(E)은 에너지 필터링 효과에 의해 조절될 수 있다. 상기 에너지 필터링은 분산된 나노 입자불순물(embedded impurity)의 포텐셜 장벽(potential barrier)에 의해 유도될 수 있다. 또한, 분산된 나노 입자 불순물은 단-중 파장대 포논에 대한 효과적인 포논 산란제(phonon scatterers)로 작용함으로써, κL을 줄이는 효과적인 방법 중 하나로 보고되어 왔다. 그러나, 나노 입자 불순물이 분산된 구조에서는 일부 캐리어만이 장벽을 만날 기회를 가지므로 에너지 필터링 효과가 낮고, 포논 산란제로서의 역할을 하기에 밀도가 충분히 높지 않다는 문제점이 있다.In addition, many nanotechnological attempts have been made to improve the Seebeck coefficient while minimizing the electrical conductivity. The Seebeck coefficient can be improved by adjusting D(E) and τ(E) near the Fermi level, and the adjustment of D(E) can be performed by resonance doping or quantum confinement effect, and τ(E ) can be controlled by the energy filtering effect. The energy filtering may be induced by a potential barrier of embedded nanoparticle impurities. In addition, dispersed nanoparticle impurities have been reported as one of the effective ways to reduce κ L by acting as effective phonon scatterers for short- and medium-wavelength phonons. However, in the structure in which nanoparticle impurities are dispersed, only some carriers have a chance to meet the barrier, so the energy filtering effect is low, and the density is not high enough to serve as a phonon scattering agent.

논문 Impact of energy filtering and carrier localization on the thermoelectric properties of granular semiconductors, Journal of Solid State Chemistry 2012, 193, 19-25.Paper Impact of energy filtering and carrier localization on the thermoelectric properties of granular semiconductors, Journal of Solid State Chemistry 2012, 193, 19-25.

본원은, 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 삼원계 물질 코팅층을 포함하는 열전 소재를 제공하고자 한다.The present application intends to provide a thermoelectric material including a binary chalcogenide material core and a ternary material coating layer.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present application is not limited to the above-mentioned problem, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본원의 제 1 측면은, 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 삼원계 물질 코팅층을 포함하는 열전 소재로서, 상기 삼원계 물질 코팅층은 칼코젠 물질, 제 1 치환 물질, 및 제 2 치환 물질을 포함하고, 상기 제 1 치환 물질 및 상기 제 2 치환 물질은 상기 이원계 칼코제나이드 물질의 금속과 상이한, 열전 소재를 제공한다. A first aspect of the present application is a thermoelectric material including a binary chalcogenide material core and a ternary material coating layer, wherein the ternary material coating layer includes a chalcogen material, a first substitution material, and a second substitution material, wherein the The first substitution material and the second substitution material provide a thermoelectric material different from the metal of the binary chalcogenide material.

본원의 제 2 측면은, 이원계 칼코제나이드 물질 코어를 준비하는 단계, 제 1 치환 물질 전구체 및 제 2 치환 물질 전구체를 포함하는 삼원계 물질 전구체를 준비하는 단계, 및 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 상기 삼원계 물질 전구체를 혼합하고 양이온 치환 반응시켜 열전 소재를 수득하는 단계를 포함하는, 열전 소재의 제조 방법을 제공한다. A second aspect of the present application provides a step of preparing a binary chalcogenide material core, preparing a ternary material precursor including a first substitution material precursor and a second substitution material precursor, and the binary chalcogenide material core and A method for producing a thermoelectric material is provided, comprising mixing the ternary material precursor and subjecting the precursor to a cation substitution reaction to obtain a thermoelectric material.

본원의 구현예들에 따른 열전 소재는, 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 삼원계 물질 코팅층을 포함하는 것으로서, 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 상기 삼원계 물질 코팅층 사이의 현저한 에너지 포텐셜 장벽으로 인하여 에너지 필터링 효과가 발생됨으로써 열전 소재의 제벡 계수가 향상되고 이에 따른 열전 성능 지수가 향상된 특징이 있다.A thermoelectric material according to embodiments of the present disclosure includes a binary chalcogenide material core and a ternary material coating layer, and energy is filtered due to a significant energy potential barrier between the binary chalcogenide material core and the ternary material coating layer. As a result of the effect, the Seebeck coefficient of the thermoelectric material is improved, and thus the thermoelectric figure of merit is improved.

본원의 구현예들에 따른 열전 소재는, 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 삼원계 물질 코팅층을 포함하는 것으로서, 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어와 상기 삼원계 물질 코팅층의 음향 임피던스 불일치로 인하여 간섭적 포논 산란이 강화되어 열전 소재의 격자 열전도도가 감소되고 이에 따른 열전 성능 지수가 향상된 특징이 있다. A thermoelectric material according to embodiments of the present disclosure includes a binary chalcogenide material core and a ternary material coating layer, and coherent phonon scattering occurs due to a mismatch in acoustic impedance between the binary chalcogenide material core and the ternary material coating layer. This is enhanced to reduce the lattice thermal conductivity of the thermoelectric material and thereby improve the thermoelectric figure of merit.

본원의 구현예들에 따른 열전 소재는, 상기 삼원계 물질 코팅층이 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 표면에 균일하게 형성됨으로써 상기 에너지 필터링 효과 및 간섭적 포논 산란 강화 효과가 효과적으로 발생된 특징이 있다.The thermoelectric material according to embodiments of the present disclosure is characterized in that the energy filtering effect and the coherent phonon scattering enhancing effect are effectively generated by uniformly forming the ternary material coating layer on the surface of the binary chalcogenide material core.

도 1은, 본원의 일 구현예에 있어서, 양이온 치환 반응의 메커니즘 모식도이다.
도 2는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM) 사진이다.
도 3의 a는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 결정립 계면(코팅층)을 확대하여 측정한 고분해능 TEM 사진이다.
도 3의 b는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 결정립 계면(코팅층)의 고속푸리에변환(fast Fourier transform, FFT) 패턴 사진이다.
도 4a는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 XRD 측정 결과이다.
도 4b는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2 및 SnTe의 결정 구조 모식도이다.
도 5는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 STEM-EDS(Scanning TEM-Electron Dispersive Spectroscopy)를 사용한 조성 분석 결과이다.
도 6의 a는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 비저항 그래프이다.
도 6의 b는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 제벡 계수 그래프이다.
도 6의 c는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 파워팩터 그래프이다.
도 6의 d는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 CuInTe2 및SnTe의 밴드 다이어그램을 나타낸 모식도이다.
도 6의 e는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 비저항 그래프이다.
도 6의 f는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 제벡 계수 그래프이다.
도 6의 g는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 파워팩터 그래프이다.
도 7의 a는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 열전도도 그래프이다.
도 7의 b는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 격자 열전도도 그래프이다.
도 7의 c는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 열전도도 그래프이다.
도 8의 a는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 열전 성능 지수 그래프이다.
도 8의 b는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체 및 선행 문헌의 열전 구조체의 열전 성능 지수 비교 그래프이다.
도 8은 c는, 본원의 일 실시예에 있어서, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 열전 성능 지수 그래프이다.
1 is, in one embodiment of the present application, a schematic diagram of the mechanism of a cation substitution reaction.
2 is a transmission electron microscope (TEM) picture of a CuInTe 2 /SnTe nanostructure in one embodiment of the present application.
3a is a high-resolution TEM photograph obtained by enlarging and measuring the crystal grain interface (coating layer) of the CuInTe 2 /SnTe nanostructure in one embodiment of the present application.
Figure 3b is, according to an embodiment of the present application, a fast Fourier transform (FFT) pattern photograph of the crystal grain interface (coating layer) of the CuInTe 2 /SnTe nanostructure.
Figure 4a, in one embodiment of the present application, CuInTe 2 /SnTe nanostructure XRD measurement results.
Figure 4b is a schematic diagram of the crystal structures of CuInTe 2 and SnTe in one embodiment of the present application.
5 is a compositional analysis result using STEM-EDS (Scanning TEM-Electron Dispersive Spectroscopy) of a CuInTe 2 /SnTe nanostructure in one embodiment of the present application.
6a is a resistivity graph of CuInTe 2 /SnTe nanostructures according to one embodiment of the present application.
Figure 6b is a Seebeck coefficient graph of CuInTe 2 /SnTe nanostructures according to one embodiment of the present application.
Figure 6c is a power factor graph of the CuInTe 2 /SnTe nanostructure according to one embodiment of the present application.
6d is a schematic diagram showing a band diagram of CuInTe 2 and SnTe of the CuInTe 2 /SnTe nanostructure in one embodiment of the present application.
Figure 6e is, according to an embodiment of the present application, a CuInTe 2 /SnTe nanostructure is a resistivity graph.
6 f is a Seebeck coefficient graph of CuInTe 2 /SnTe nanostructures according to an embodiment of the present application.
6g is a power factor graph of CuInTe 2 /SnTe nanostructures according to one embodiment of the present application.
Figure 7a is a thermal conductivity graph of the CuInTe 2 /SnTe nanostructure according to one embodiment of the present application.
Figure 7b is a lattice thermal conductivity graph of CuInTe 2 /SnTe nanostructures according to one embodiment of the present application.
Figure 7c is a thermal conductivity graph of the CuInTe 2 /SnTe nanostructure according to one embodiment of the present application.
Figure 8a is a thermoelectric figure of merit graph of CuInTe 2 /SnTe nanostructures according to one embodiment of the present application.
FIG. 8B is a graph showing a comparison of the thermoelectric figure of merit between the CuInTe 2 /SnTe nanostructure and the thermoelectric structure of the prior literature according to one embodiment of the present application.
8 c is a thermoelectric figure of merit graph of a CuInTe 2 /SnTe nanostructure according to one embodiment of the present application.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments and embodiments of the present application will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention. However, the present disclosure may be embodied in many different forms and is not limited to the implementations and examples described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only the case of being "directly connected" but also the case of being "electrically connected" with another element in between. do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout the present specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only a case where a member is in contact with another member, but also a case where another member exists between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the present specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.As used herein, the terms "about," "substantially," and the like are used at or approximating that number when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are given, and are intended to assist in the understanding of this disclosure. Accurate or absolute figures are used to prevent undue exploitation by unscrupulous infringers of the stated disclosure.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~ 하는 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.The term "step of" or "step of" used throughout the present specification does not mean "step for".

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination(s) of these" included in the expression of the Markush form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the Markush form, It means including one or more selected from the group consisting of the above components.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.Throughout this specification, reference to "A and/or B" means "A or B, or A and B".

본원 명세서 전체에서, "양이온 치환 반응"의 기재는, 열전 소재의 제조 과정에서, 열전 소재의 금속을 상기 열전 소재의 금속과 상이한 금속으로 치환하는 것을 의미하며, 양이온 치환물이란 상기 치환되는 상이한 금속을 의미한다.Throughout the present specification, the description of "cation substitution reaction" means that the metal of the thermoelectric material is replaced with a metal different from the metal of the thermoelectric material during the manufacturing process of the thermoelectric material, and cation substitution means a different metal to be substituted. means

이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present application have been described in detail, but the present application may not be limited thereto.

본원의 제 1 측면은, 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 삼원계 물질 코팅층을 포함하는 열전 소재로서, 상기 삼원계 물질 코팅층은 칼코젠 물질, 제 1 치환 물질, 및 제 2 치환 물질을 포함하고, 상기 제 1 치환 물질 및 상기 제 2 치환 물질은 상기 이원계 칼코제나이드 물질의 금속과 상이한, 열전 소재를 제공한다.A first aspect of the present application is a thermoelectric material including a binary chalcogenide material core and a ternary material coating layer, wherein the ternary material coating layer includes a chalcogen material, a first substitution material, and a second substitution material, wherein the The first substitution material and the second substitution material provide a thermoelectric material different from the metal of the binary chalcogenide material.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 삼원계 물질 코팅층의 상기 제 1 치환 물질 및 상기 제 2 치환 물질은 상기 이원계 칼코제나이드 물질의 양이온 치환물인 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 삼원계 물질 코팅층은 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 표면에서 상기 이원계 칼코제나이드 물질의 금속이 양이온 치환 반응을 통해 상기 제 1 치환 물질 및 상기 제 2 치환 물질로 치환되어 형성되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the first substitution material and the second substitution material of the ternary material coating layer may be cation substitution products of the binary chalcogenide material. Specifically, the ternary material coating layer may be formed by replacing the metal of the binary chalcogenide material with the first substitution material and the second substitution material through a cation exchange reaction on the surface of the binary chalcogenide material core. have.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 치환 물질은 Cu, Cs 및 Ag 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있고, 제 2 치환 물질은 Bi, Sb, Ga 및 In 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the first substitution material may include one or more selected from Cu, Cs, and Ag, and the second substitution material includes one or more selected from Bi, Sb, Ga, and In. It may be, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 치환 물질 및 상기 제 2 치환 물질은 용해도곱(KSP)을 고려하여 선정된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 치환 물질 및 상기 제 2 치환 물질과 상기 칼코젠 물질 간의 용해도곱은 상기 이원계 칼코제나이드 물질의 용해도곱에 비해 작은 것일 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 용해도곱(KSP)은 양이온 치환 반응을 예측할 수 있는 열역학적 요소로서, 상기 이원계 칼코제나이드 물질의 용해도곱 보다 상기 제 1 치환 물질 및 상기 제 2 치환 물질과 상기 칼코젠 물질 간의 용해도곱이 작음으로써, 상기 이원계 칼코제나이드 물질의 금속은 자발적으로 상기 제 1 치환 물질 및 상기 제 2 치환 물질로 치환되어, 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 표면에 상기 삼원계 물질 코팅층이 형성될 수 있다. In one embodiment of the present application, the first substitution material and the second substitution material may be selected in consideration of the solubility product (K SP ). Specifically, the solubility product between the first substituted material and the second substituted material and the chalcogenide material may be smaller than the solubility product of the binary chalcogenide material. More specifically, the solubility product (K SP ) is a thermodynamic factor that can predict a cation substitution reaction, and the solubility product of the binary chalcogenide material is higher than the solubility product of the first substituted material and the second substituted material and the chalcogenide material. As the solubility product of liver is small, the metal of the binary chalcogenide material is spontaneously substituted with the first substitution material and the second substitution material, so that the ternary material coating layer can be formed on the surface of the core of the binary chalcogenide material. have.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 치환 물질 및 상기 제 2 치환 물질은 HSAB(hard and soft acid and bases) 이론을 고려하여 선정된 것일 수 있다. 구체적으로, HSAB(hard and soft acid and bases) 이론은 강 산(hard acid) 양이온은 강 염기(hard base)와 강하게 결합하고, 약 산(soft acid) 양이온은 약 염기(soft base)와 강하게 결합한다는 것을 추론할 수 있다. 일례로서, 상기 이원계 칼코제나이드 물질은 SnTe이고 상기 삼원계 물질은 CuInTe2일 경우, 구리 아세테이트(copper acetate, Cu(Ac)2), 인듐 아세테이트(indium acetate, In(Ac)3), 및 올레일아민(oleylamine, OLA)을 포함하는 용액을 SnTe와 혼합하면, SnTe 표면에서 Sn과 Cu 및 In 양이온 간의 양이온 치환 반응이 발생할 수 있다. HSAB 이론에 따르면, 상기 구리 아세테이트 및 인듐 아세테이트는 이온화되기 쉬우므로 Cu2+ 및 In3+이 생성되기 쉽고, 상기 SnTe의 Sn2+은 강 산이므로 주입된 금속(Cu2+ 및 In3+)에 비해 아세테이트(Ac-)와 더 안정적인 산-염기 쌍을 형성하기 때문에, 쉽게 금속 아세테이트(metal acetate) 복합체를 형성할 수 있다. In one embodiment of the present application, the first substitution material and the second substitution material may be selected in consideration of the HSAB (hard and soft acid and bases) theory. Specifically, according to the theory of hard and soft acid and bases (HSAB), hard acid cations bind strongly to hard bases, and soft acid cations strongly bind to soft bases. It can be inferred that As an example, when the binary chalcogenide material is SnTe and the ternary material is CuInTe 2 , copper acetate (Cu(Ac) 2 ), indium acetate (In(Ac) 3 ), and oleic acid When a solution containing oleylamine (OLA) is mixed with SnTe, a cation substitution reaction between Sn and Cu and In cations may occur on the SnTe surface. According to the HSAB theory, since the copper acetate and indium acetate are easily ionized, Cu 2+ and In 3+ are easily generated, and Sn 2+ of the SnTe is a strong acid, so the implanted metal (Cu 2+ and In 3+ ) Since it forms a more stable acid-base pair with acetate (Ac - ) than Acetate, it can easily form a metal acetate complex.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 삼원계 물질은 CuInTe2, AgInTe2, CuBiTe2, AgBiTe2, CuSbTe2, 및 AgSbTe2 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the ternary material may include one or more selected from CuInTe 2 , AgInTe 2 , CuBiTe 2 , AgBiTe 2 , CuSbTe 2 , and AgSbTe 2 .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어의 직경은 약 100 nm 내지 약 3000 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 구체적으로, 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어의 직경은 약 100 nm 내지 약 3000 nm, 약 100 nm 내지 약 2000 nm, 약 100 nm 내지 약 1000 nm, 약 200 nm 내지 약 3000 nm, 약 200 nm 내지 약 2000 nm, 또는 약 200 nm 내지 약 1000 nm일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present application, the diameter of the binary chalcogenide material core may be about 100 nm to about 3000 nm, but may not be limited thereto. Specifically, the diameter of the binary chalcogenide material core is about 100 nm to about 3000 nm, about 100 nm to about 2000 nm, about 100 nm to about 1000 nm, about 200 nm to about 3000 nm, about 200 nm to about 2000 nm, or about 200 nm to about 1000 nm, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 삼원계 물질 코팅층의 두께는 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 직경의 약 3% 내지 약 20%인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 구체적으로, 상기 삼원계 물질 코팅층의 두께는 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 직경의 약 3% 내지 약 20%, 약 3% 내지 약 15%, 약 3% 내지 약 10%, 약 4% 내지 약 20%, 약 4% 내지 약 15%, 약 4% 내지 약 10%, 약 5% 내지 약 20%, 약 5% 내지 약 15%, 또는 약 5% 내지 약 10%인 것일 수 있다. 상기 삼원계 물질 코팅층의 두께가 상기 범위를 벗어날 경우, 포논의 간섭적 산란 효과가 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다. In one embodiment of the present application, the thickness of the ternary material coating layer may be about 3% to about 20% of the core diameter of the binary chalcogenide material, but may not be limited thereto. Specifically, the thickness of the ternary material coating layer is about 3% to about 20%, about 3% to about 15%, about 3% to about 10%, about 4% to about 20% of the core diameter of the binary chalcogenide material. %, about 4% to about 15%, about 4% to about 10%, about 5% to about 20%, about 5% to about 15%, or about 5% to about 10%. When the thickness of the ternary material coating layer is out of the above range, a problem in which the coherent scattering effect of phonons is degraded may occur.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 삼원계 물질 코팅층은 삼원계 물질의 나노 입자가 균일하게 뭉쳐져 형성된 균일층인 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the coating layer of the ternary material may be a uniform layer formed by uniformly aggregating nanoparticles of the ternary material.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 삼원계 물질의 결정 구조는 상기 이원계 칼코제나이드 물질의 결정 구조와 유사한 것일 수 있다. 일례로서, 상기 이원계 칼코제나이드 물질은 SnTe이고 상기 삼원계 물질은 CuInTe2일 경우, 상기 SnTe는 Te2- 음이온을 포함하는 공간군(space group)이 Fm3m인 FCC 암염(rock salt) 구조이고, 상기 CuInTe2는 공간군(space group)이 I42d 인 정방형(tetragonal) 구조인 것을 확인할 수 있다. 따라서, 정방형(tetragonal) CuInTe2는 Te 음이온이 FCC 케이지(cage)를 이루고 Cu+ 및 In3+ 양이온이 사면체(tetrahedral site)에 있는 구조로서, SnTe 결정 구조와 유사한 구조임을 확인할 수 있다.In one embodiment of the present application, the crystal structure of the ternary material may be similar to that of the binary chalcogenide material. As an example, when the binary chalcogenide material is SnTe and the ternary material is CuInTe 2 , the SnTe has an FCC rock salt structure in which the space group containing Te 2- anion is Fm3m, It can be confirmed that the CuInTe 2 has a tetragonal structure in which a space group is I42d. Therefore, tetragonal CuInTe 2 is a structure in which Te anions form an FCC cage and Cu + and In 3+ cations are in tetrahedral sites, and it can be confirmed that the structure is similar to the SnTe crystal structure.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 열전 소재는 도펀트로서 Bi, Ag, Cu, Cr, Sb, Zn, Se, S, In, Cd, Mg, Hg, Mn 및 Ca 중에서 선택되는 하나 이상을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 구체적으로, 상기 도펀트는 상기 이원계 칼코제나이드 물질의 페르미 준위(Fermi level) 근처의 공명 상태를 만들거나, 가전자대 오프셋(valance band offset)을 줄이고 제벡 계수를 증가시키는 역할을 할 수 있다.In one embodiment of the present application, the thermoelectric material further includes at least one selected from Bi, Ag, Cu, Cr, Sb, Zn, Se, S, In, Cd, Mg, Hg, Mn, and Ca as a dopant. It may be, but may not be limited thereto. Specifically, the dopant creates a resonance state near the Fermi level of the binary chalcogenide material, or reduces the valence band offset and increases the Seebeck coefficient. can play a role

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이원계 칼코제나이드 물질은 SnTe, SnSe, SnS, PbTe, PbSe, PbS, ZnTe, ZnSe, ZnS, ZnO, GeTe, Cu2Te, 및 Cu2Se 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the binary chalcogenide material is at least one selected from SnTe, SnSe, SnS, PbTe, PbSe, PbS, ZnTe, ZnSe, ZnS, ZnO, GeTe, Cu 2 Te, and Cu 2 Se It may include, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 열전 소재는 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 상기 삼원계 물질 코팅층 사이에서 에너지 포텐셜 장벽이 형성될 수 있고, 상기 에너지 포텐셜 장벽의 크기는 약 100 meV 내지 약 200 meV인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 구체적으로, 상기 에너지 포텐셜 장벽의 크기는 약 100 meV 내지 약 200 meV, 약 100 meV 내지 약 190 meV, 약 100 meV 내지 약 180 meV, 약 100 meV 내지 약 170 meV, 약 100 meV 내지 약 160 meV, 약 100 meV 내지 약 150 meV, 약 100 meV 내지 약 140 meV, 약 100 meV 내지 약 130 meV, 약 100 meV 내지 약 120 meV, 또는 약 100 meV 내지 약 110 meV일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present application, in the thermoelectric material, an energy potential barrier may be formed between the binary chalcogenide material core and the ternary material coating layer, and the size of the energy potential barrier is about 100 meV to about 200 meV It may be, but may not be limited thereto. Specifically, the size of the energy potential barrier is about 100 meV to about 200 meV, about 100 meV to about 190 meV, about 100 meV to about 180 meV, about 100 meV to about 170 meV, about 100 meV to about 160 meV, It may be about 100 meV to about 150 meV, about 100 meV to about 140 meV, about 100 meV to about 130 meV, about 100 meV to about 120 meV, or about 100 meV to about 110 meV, but may not be limited thereto. .

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 상기 삼원계 물질 코팅층 사이에서 형성된 에너지 포텐셜 장벽은 전도 캐리어를 차단하여 에너지 필터링 효과를 발생할 수 있다. 상기 에너지 필터링 효과는 제벡 계수의 향상을 초래하며, 상기 제백 계수 향상에 대한 계산은 볼츠만 수송 방정식을 기반으로 수행되는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the energy potential barrier formed between the binary chalcogenide material core and the ternary material coating layer may block conduction carriers to generate an energy filtering effect. The energy filtering effect results in an enhancement of the Seebeck coefficient, and calculation of the Seebeck coefficient enhancement may be performed based on the Boltzmann transport equation.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어와 상기 삼원계 물질 코팅층의 음향 임피던스 불일치로 인하여 간섭적 포논 산란이 강화되므로 열전 소재의 격자 열전도도가 감소되고 따라서 열전 성능 지수가 향상될 수 있다. 구체적으로, 이동하는 포논(traveling phonon) 위상이 상기 삼원계 물질 코팅층을 통과할 때 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 상기 삼원계 물질 코팅층의 음향 임피던스 차이로 인해 포논의 위상 지연이 발생하고, 이러한 다중 포논의 위상 지연은 간섭을 일으키므로 강력한 포논 산란을 유발할 수 있다. 상기 간섭적 포논 산란은 넓은 포논 스펙트럼 대에서 짧은 포논 평균 자유 행로(mean free path)를 만들므로 열전 분야에서 강력한 이점으로 작용할 수 있다.In one embodiment of the present application, coherent phonon scattering is enhanced due to the acoustic impedance mismatch between the binary chalcogenide material core and the ternary material coating layer, thereby reducing the lattice thermal conductivity of the thermoelectric material and thus improving the thermoelectric figure of merit. can Specifically, when a traveling phonon phase passes through the ternary material coating layer, a phonon phase delay occurs due to a difference in acoustic impedance between the binary chalcogenide material core and the ternary material coating layer, and such multiple The phase delay of phonons causes interference, which can lead to strong phonon scattering. Since the coherent phonon scattering creates a short phonon mean free path in a wide phonon spectrum, it can act as a strong advantage in the thermoelectric field.

본원의 제 2 측면은, 이원계 칼코제나이드 물질 코어를 준비하는 단계, 제 1 치환 물질 전구체 및 제 2 치환 물질 전구체를 포함하는 삼원계 물질 전구체를 준비하는 단계, 및 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 상기 삼원계 물질 전구체를 혼합하고 양이온 치환 반응시켜 열전 소재를 수득하는 단계를 포함하는, 열전 소재의 제조 방법을 제공한다.A second aspect of the present application provides a step of preparing a binary chalcogenide material core, preparing a ternary material precursor including a first substitution material precursor and a second substitution material precursor, and the binary chalcogenide material core and A method for producing a thermoelectric material is provided, comprising mixing the ternary material precursor and subjecting the precursor to a cation substitution reaction to obtain a thermoelectric material.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어를 준비하는 단계는 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어를 분말 형태로 만드는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present application, the step of preparing the binary chalcogenide material core may be to form the binary chalcogenide material core into a powder form, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 치환 물질 전구체 및 제 2 치환 물질 전구체를 포함하는 삼원계 물질 전구체를 준비하는 단계는 상기 삼원계 물질 전구체를 용액 상으로 제조하고, 상기 용액의 산소 및 수분을 제거하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 구체적으로, 상기 삼원계 물질 전구체 용액은 유기 리간드로서 올레일아민(oleylamine, OLA), 올레산(oleic acid), 트리오틸포스핀(trioctyl phosphine, TOP), 및 트리부틸포스핀(tributyl phosphine, TBP) 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있고, 용매로서 옥타데센(1-octadecene, 1-ODE), 메틸사이클로헥산(methyl cyclohexane) 및 톨루엔(toluene) 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present application, the step of preparing a ternary material precursor including the first substitution material precursor and the second substitution material precursor is preparing the ternary material precursor in a solution phase, oxygen and moisture of the solution It may include removing, but may not be limited thereto. Specifically, the ternary material precursor solution contains oleylamine (OLA), oleic acid, trioctyl phosphine (TOP), and tributyl phosphine (TBP) as organic ligands. It may contain one or more selected from among, and may contain one or more selected from octadecene (1-octadecene, 1-ODE), methyl cyclohexane, and toluene as a solvent, may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 치환 물질 전구체 및 제 2 치환 물질 전구체는 아세테이트(acetate) 계, 브로마이드(bromide) 계, 및 아이오다이드(iodide) 계 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 일례로서, 상기 제 1 치환 물질 전구체는 구리 아세테이트(Cu(Ac)2)일 수 있고, 상기 제 2 치환 물질 전구체는 인듐 아세테이트(In(Ac)3)일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present application, the first substitution material precursor and the second substitution material precursor include at least one selected from acetate-based, bromide-based, and iodide-based However, it may not be limited thereto. As an example, the first substitution material precursor may be copper acetate (Cu(Ac) 2 ), and the second substitution material precursor may be indium acetate (In(Ac) 3 ), but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 양이온 치환 반응은 용해도곱을 고려하여 수행되는 것일 수 있다. 구체적으로, 용해도곱(KSP)은 양이온 치환 반응을 예측할 수 있는 열역학적 요소로서, 상기 제 1 치환 물질 및 상기 제 2 치환 물질과 칼코젠 물질 간의 용해도곱은 상기 이원계 칼코제나이드 물질의 용해도곱에 비해 작음으로써, 상기 이원계 칼코제나이드 물질의 금속은 자발적으로 상기 제 1 치환 물질 및 상기 제 2 치환 물질로 치환되어, 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 표면에 상기 삼원계 물질 코팅층이 형성될 수 있다.In one embodiment of the present application, the cation substitution reaction may be performed in consideration of the solubility product. Specifically, the solubility product (K SP ) is a thermodynamic factor that can predict a cation substitution reaction, and the solubility product between the first substituted material and the second substituted material and the chalcogen material is compared to the solubility product of the binary chalcogenide material. By being small, the metal of the binary chalcogenide material is spontaneously substituted with the first substitution material and the second substitution material, so that the ternary material coating layer can be formed on the surface of the binary chalcogenide material core.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 양이온 치환 반응은 HSAB(hard and soft acid and bases) 이론을 고려하여 수행되는 것일 수 있다. 구체적으로, HSAB(hard and soft acid and bases) 이론은 강 산(hard acid) 양이온은 강 염기(hard base)와 강하게 결합하고, 약 산(soft acid) 양이온은 약 염기(soft base)와 강하게 결합한다는 것을 추론할 수 있다. 일례로서, 상기 이원계 칼코제나이드 물질은 SnTe이고 상기 삼원계 물질은 CuInTe2일 경우, 구리 아세테이트(copper acetate, Cu(Ac)2), 인듐 아세테이트(indium acetate, In(Ac)3), 및 올레일아민(oleylamine, OLA)을 포함하는 용액을 SnTe와 혼합하면, SnTe 표면에서 Sn과 Cu 및 In 양이온 간의 양이온 치환 반응이 발생할 수 있다. HSAB 이론에 따르면, 상기 구리 아세테이트 및 인듐 아세테이트는 이온화되기 쉬우므로 Cu2+ 및 In3+이 생성되기 쉽고, 상기 SnTe의 Sn2+은 강 산이므로 주입된 금속(Cu2+ 및 In3+)에 비해 아세테이트(Ac-)와 더 안정적인 산-염기 쌍을 형성하기 때문에, 쉽게 금속 아세테이트(metal acetate) 복합체를 형성할 수 있다. In one embodiment of the present application, the cation substitution reaction may be performed in consideration of the HSAB (hard and soft acid and bases) theory. Specifically, according to the theory of hard and soft acid and bases (HSAB), hard acid cations bind strongly to hard bases, and soft acid cations strongly bind to soft bases. It can be inferred that As an example, when the binary chalcogenide material is SnTe and the ternary material is CuInTe 2 , copper acetate (Cu(Ac) 2 ), indium acetate (In(Ac) 3 ), and oleic acid When a solution containing oleylamine (OLA) is mixed with SnTe, a cation substitution reaction between Sn and Cu and In cations may occur on the SnTe surface. According to the HSAB theory, since the copper acetate and indium acetate are easily ionized, Cu 2+ and In 3+ are easily generated, and Sn 2+ of the SnTe is a strong acid, so the implanted metal (Cu 2+ and In 3+ ) Since it forms a more stable acid-base pair with acetate (Ac - ) than Acetate, it can easily form a metal acetate complex.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 치환 물질 전구체 및 상기 제 2 치환 물질 전구체의 함량은 상기 이원계 칼코제나이드 물질 1 몰에 대하여 각각 n 몰 및 m 몰일 수 있고, 상기 n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 6의 정수인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 치환 물질 및 상기 제 2 치환 물질의 전구체의 함량은 상기 이원계 칼코제나이드 물질 1 몰에 대하여 각각 1 몰 내지 6 몰, 1 몰 내지 5 몰, 1 몰 내지 4 몰, 1 몰 내지 3 몰, 1 몰 내지 2 몰, 2 몰 내지 6 몰, 2 몰 내지 5 몰, 2 몰 내지 4 몰, 2 몰 내지 3 몰, 3 몰 내지 6 몰, 3 몰 내지 5 몰, 3 몰 내지 4 몰, 4 몰 내지 6 몰, 4 몰 내지 5 몰, 또는 5 몰 내지 6 몰일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present application, the amount of the first substitution material precursor and the second substitution material precursor may be n moles and m moles, respectively, with respect to 1 mole of the binary chalcogenide material, and n and m are each independently It may be an integer of 1 to 6, but may not be limited thereto. Specifically, the content of the precursor of the first substituted material and the second substituted material is 1 to 6 moles, 1 to 5 moles, 1 to 4 moles, and 1 mole, respectively, based on 1 mole of the binary chalcogenide material. to 3 moles, 1 to 2 moles, 2 to 6 moles, 2 to 5 moles, 2 to 4 moles, 2 to 3 moles, 3 to 6 moles, 3 to 5 moles, 3 to 4 moles mole, 4 moles to 6 moles, 4 moles to 5 moles, or 5 moles to 6 moles, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 n은 상기 m과 같거나 상기 m 보다 작은 정수일 수 있다. 상기 n과 상기 m이 같을 때 열전 소재의 제벡 계수가 가장 높게 나타날 수 있으며, 상기 n이 상기 m 보다 약간 작을 때 열전 소재의 신뢰성이 높을 수 있다. 구체적으로 상기 n 과 상기 m의 비(n:m)는 3:5 내지 5:5인 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, n may be an integer equal to or smaller than m. When the n is equal to the m, the Seebeck coefficient of the thermoelectric material may be the highest, and when the n is slightly smaller than the m, the reliability of the thermoelectric material may be high. Specifically, the ratio (n:m) of the n and the m may be 3:5 to 5:5.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 양이온 치환 반응은 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 상기 삼원계 물질 전구체를 혼합하고 가열하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the cation substitution reaction may be performed by mixing and heating the binary chalcogenide material core and the ternary material precursor, but may not be limited thereto.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 양이온 치환 반응은 약 180℃ 내지 약 250℃ 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 구체적으로, 상기 양이온 치환 반응은 약 180℃ 내지 약 250℃, 약 180℃ 내지 약 240℃, 약 180℃ 내지 약 230℃, 약 180℃ 내지 약 220℃, 약 180℃ 내지 약 210℃, 약 180℃ 내지 약 200℃, 약 180℃ 내지 약 190℃, 약 190℃ 내지 약 250℃, 약 190℃ 내지 약 240℃, 약 190℃ 내지 약 230℃, 약 190℃ 내지 약 220℃, 약 190℃ 내지 약 210℃, 약 190℃ 내지 약 200℃, 약 200℃ 내지 약 250℃, 약 200℃ 내지 약 240℃, 약 200℃ 내지 약 230℃, 약 200℃ 내지 약 220℃, 약 200℃ 내지 약 210℃, 약 210℃ 내지 약 250℃, 약 210℃ 내지 약 240℃, 약 210℃ 내지 약 230℃, 약 210℃ 내지 약 220℃, 약 220℃ 내지 약 250℃, 약 220℃ 내지 약 240℃, 약 220℃ 내지 약 230℃, 약 230℃ 내지 약 250℃, 약 230℃ 내지 약 240℃, 또는 약 240℃ 내지 약 250℃ 온도 범위에서 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.In one embodiment of the present application, the cation substitution reaction may be carried out at a temperature range of about 180 ° C to about 250 ° C, but may not be limited thereto. Specifically, the cation substitution reaction is about 180 ℃ to about 250 ℃, about 180 ℃ to about 240 ℃, about 180 ℃ to about 230 ℃, about 180 ℃ to about 220 ℃, about 180 ℃ to about 210 ℃, about 180 °C to about 200 °C, about 180 °C to about 190 °C, about 190 °C to about 250 °C, about 190 °C to about 240 °C, about 190 °C to about 230 °C, about 190 °C to about 220 °C, about 190 °C to About 210°C, about 190°C to about 200°C, about 200°C to about 250°C, about 200°C to about 240°C, about 200°C to about 230°C, about 200°C to about 220°C, about 200°C to about 210°C °C, about 210 °C to about 250 °C, about 210 °C to about 240 °C, about 210 °C to about 230 °C, about 210 °C to about 220 °C, about 220 °C to about 250 °C, about 220 °C to about 240 °C, It may be performed in a temperature range of about 220 ° C to about 230 ° C, about 230 ° C to about 250 ° C, about 230 ° C to about 240 ° C, or about 240 ° C to about 250 ° C, but may not be limited thereto.

본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Detailed descriptions of portions overlapping with the first aspect of the present application have been omitted, but the description of the first aspect of the present application can be equally applied even if the description is omitted in the second aspect of the present application.

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present application will be described in more detail using examples, but the following examples are only illustrative to aid understanding of the present application, and the content of the present application is not limited to the following examples.

[실시예][Example]

<실시예 1: CuInTe<Example 1: CuInTe 22 /SnTe 나노구조체의 제조> / Fabrication of SnTe nanostructures>

1) 올레일아민(oleylamine, OLA)(Alfa Aesar, 70%, tech grade) 25 mL 및 옥타데센(1-octadecene, 1-ODE)(Alfa Aesar, 90%, tech grade) 175 mL 혼합 용액에 CuInTe2의 전구체인 구리 아세테이트(Cu(Ac)2) 및 인듐 아세테이트(In(Ac)3)(Sigma-Aldrich, hydrate, 98% reagent grade)를 용해시킨 뒤, 500 mL 용량의 삼구 플라스크(three-neck flask)에서 100℃, 진공 조건에서 1 시간 동안 산소 및 수분을 제거하였다. Cu(Ac)2 및 In(Ac)3는 SnTe 1 몰에 대해 각각 1 몰, 3 몰, 5 몰, 및 7 몰의 비로 첨가하여 다양한 몰 비의 전구체로 코팅된 나노구조체 샘플을 만들었으며, 상기 나노구조체 샘플은 Cu(Ac)2 및 In(Ac)3 전구체의 몰 비에 따라 CG-Cu:In/x:y로 명명하였다 (x: 구리아세테이트의 몰 비, y: 인듐아세테이트의 몰 비). 또한, SnTe 1 몰에 대하여 Cu(Ac)2 및 In(Ac)3 를 각각 3 몰 및 5 몰 첨가하고 (CG-Cu:In/3:5), Cu(Ac)2 및 In(Ac)3 를 각각 5 몰 및 3 몰 첨가하여 (CG-Cu:In/3:5), 나노구조체 샘플을 제작하였다. 1) CuInTe in a mixed solution of 25 mL of oleylamine (OLA) (Alfa Aesar, 70%, tech grade) and 175 mL of octadecene (1-octadecene, 1-ODE) (Alfa Aesar, 90%, tech grade) After dissolving copper acetate (Cu(Ac) 2 ) and indium acetate (In(Ac) 3 ) (Sigma-Aldrich, hydrate, 98% reagent grade), which are precursors of 2 , in a 500 mL three-necked flask (three-neck flask) flask) at 100 ° C., and oxygen and moisture were removed for 1 hour under vacuum conditions. Cu(Ac) 2 and In(Ac) 3 were added in ratios of 1 mole, 3 moles, 5 moles, and 7 moles, respectively, to 1 mole of SnTe to make nanostructured samples coated with precursors of various mole ratios. The nanostructure sample was named CG-Cu:In/x:y according to the molar ratio of Cu(Ac) 2 and In(Ac) 3 precursors (x: molar ratio of copper acetate, y: molar ratio of indium acetate) . In addition, 3 moles and 5 moles of Cu(Ac) 2 and In(Ac) 3 were added to 1 mole of SnTe, respectively (CG-Cu:In/3:5), and Cu(Ac) 2 and In(Ac) 3 5 moles and 3 moles of (CG-Cu:In/3:5) were added to prepare nanostructure samples.

2) 1)의 용액에 볼 밀 처리된(ball-milled) SnTe 분말 6 g을 첨가하고 180℃까지 가열하여 양이온 치환 반응을 진행하였다. 반응이 완료된 후 어두운 색을 띠는 용액을 대기에서 상온까지 식힌 후, 침전물을 톨루엔 및 아세톤으로 세척하고 원심 분리하여 모았다. 침전물을 진공 조건에서 12 시간 동안 건조시켜 CuInTe2/SnTe 분말을 제조하였다.2) 6 g of ball-milled SnTe powder was added to the solution of 1) and heated to 180° C. to proceed with a cation exchange reaction. After the reaction was completed, the dark-colored solution was cooled from the air to room temperature, and the precipitate was washed with toluene and acetone and collected by centrifugation. The precipitate was dried under vacuum conditions for 12 hours to prepare CuInTe 2 /SnTe powder.

3) 2)에서 제조된 CuInTe2/SnTe 분말의 잔여 유기물을 제거하기 위하여 진공 조건, 450℃에서 30 분 동안 어닐링(annealing)하였다. 어닐링된 분말을 핫프레스에서(Hot-press)에서 600℃, 1 시간 동안 소결시켜 펠렛을 만들고, 이것을 550℃에서 다시 어닐링한 뒤 측정을 위한 적당한 모양으로 잘랐다.3) The CuInTe 2 /SnTe powder prepared in 2) was annealed at 450° C. for 30 minutes in a vacuum condition to remove residual organic matter. The annealed powder was sintered in a hot-press at 600° C. for 1 hour to make pellets, which were annealed again at 550° C. and then cut into appropriate shapes for measurement.

상기 Cu(Ac)2 및 In(Ac)3은 용해도곱(KSP) 및 HSAB 이론을 고려하여 친환경 원소 중 가장 용이한 전구체로 선정되었다. 용해도곱(KSP)은 양이온 치환 과정의 원동력으로 고려되었다. 용해도곱은 용액 내 이온의 고체 및 용해 상태 사이의 평형 상수이다. 양이온 치환 반응의 자발성은 호스트 칼코게나이드 금속과 유입된 칼코게나이드 금속 간의 용해도 차이를 통해 예측할 수 있다. Sn보다 낮은 KSP 를 갖는 칼코게나이드 금속은 자발적으로 Sn2+ 양이온을 용해하는 양이온 치환 과정을 거쳐 SnTe 표면에 금속 칼코게나이드 코팅층을 형성할 것이라고 예측할 수 있다. 하기 표 1은, G.D. Moon 등이 언급한 다양한 칼코게나이드 금속에 대한 용해도곱을 나타낸 표이다. KSP 를 고려하였을 때, SnTe의 자발적 양이온 치환 반응에 대한 후보로서 Bi, Ag, Cu, Cd, Hg, Pb, Pt, In 및 Sb을 고려할 수 있다. Pearson의 HSAB(hard and soft acid and bases) 이론은 용매, 리간드 및 이온의 상호 작용을 예측하는 도구로 사용하였다. HSAB 이론으로부터 강 산(hard acid) 양이온 (예: Zn2+, Sn2+)은 강염기(예: I-) 와 더 강하게 결합하고, 약 산(예: Cd2+, Ag+, Cu+) 양이온은 약염기(예: Ac-)와 강하게 결합한다는 것을 추론할 수 있다. 도 1을 참조하여 설명하면, SnTe의 CuInTe2로의 양이온 치환 반응은, 양이온이 쉽게 방출될 수 있고 Sn2+은 주입된(ingoing) 금속(Cd2+, Ag+ 및 Cu+)보다 Ac-와 더 안정적인 산-염기 쌍을 형성하기 때문에, Cd2+, Ag+ 및 Cu+ 아세테이트와 같은 약 산 콤플렉스(complex)에 의해 우선되는 반응이다. 호스트 양이온(Sn2+)과 리간드(OLA, Ac-)의 높은 친화도는 입자 표면으로부터 양이온이 방출되도록 할 수 있다. 본원에서는, 독성 문제로 인하여 Cu(Ac)2 및 In(Ac)3를 선택했다. 하기 표 1을 참고하면, In3+는 강 산으로 간주되지만 Sn2+보다 KSP가 현저히 낮음을 확인할 수 있다.The Cu(Ac) 2 and In(Ac) 3 were selected as the easiest precursor among eco-friendly elements in consideration of the solubility product (K SP ) and the HSAB theory. The solubility product (K SP ) was considered as the driving force of the cation exchange process. The solubility product is the equilibrium constant between the solid and dissolved states of an ion in solution. The spontaneity of the cation substitution reaction can be predicted through the difference in solubility between the host chalcogenide metal and the introduced chalcogenide metal. It can be predicted that a chalcogenide metal having a K SP lower than Sn will spontaneously form a metal chalcogenide coating layer on the surface of SnTe through a cation exchange process that dissolves Sn 2+ cations. Table 1 below is a table showing solubility products for various chalcogenide metals mentioned by GD Moon et al. Considering K SP , Bi, Ag, Cu, Cd, Hg, Pb, Pt, In and Sb can be considered as candidates for the spontaneous cation substitution reaction of SnTe. Pearson's theory of hard and soft acids and bases (HSAB) was used as a tool to predict the interactions of solvents, ligands and ions. From the HSAB theory, hard acid cations (eg Zn 2+ , Sn 2+ ) bind more strongly with strong bases (eg I - ), and weak acids (eg Cd 2+ , Ag + , Cu + ) It can be deduced that cations bind strongly with weak bases (eg Ac - ). Referring to FIG. 1, in the cation substitution reaction of SnTe with CuInTe 2 , cations can be easily released and Sn 2+ is more reactive with Ac than ingoing metals (Cd 2+ , Ag + and Cu + ). It is a reaction favored by weak acid complexes such as Cd 2+ , Ag + and Cu + acetate, as they form more stable acid-base pairs. The high affinity of host cations (Sn 2+ ) and ligands (OLA, Ac ) can allow cations to be released from the particle surface. Here, Cu(Ac) 2 and In(Ac) 3 were selected due to toxicity concerns. Referring to Table 1 below, although In 3+ is considered a strong acid, it can be confirmed that K SP is significantly lower than Sn 2+ .

Figure pat00002
Figure pat00002

도 2는, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 도 2의 a 및 b로부터 결정립 계면에 코팅층이 형성되었음을 확인할 수 있고, 도 2의 c)로부터 수십 nm 크기의 나노 입자가 뭉쳐서 코팅층을 이루고 있는 것을 확인할 수 있다. 2 is a transmission electron microscope (TEM) photograph of a CuInTe 2 /SnTe nanostructure. It can be confirmed from a and b of FIG. 2 that a coating layer is formed at the grain interface, and from c) of FIG. 2, it can be seen that nanoparticles having a size of several tens of nm are agglomerated to form a coating layer.

도 3의 a는, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 결정립 계면(코팅층)을 확대한 고분해능 TEM 사진이고, 도 3의 b는, 도 3의 a영역의 고속푸리에변환(fast Fourier transform, FFT) 패턴 사진이며, 도 4a는 CuInTe2/SnTe 나노구조체의 XRD 측정 결과이다. 도 3의 b로부터CuInTe2 및 SnO2 상을 확인했으며, 이는 도 4a의 XRD 데이터에서 CuInTe2 및 SnO2 상이 관찰된 결과와 일치한다. 도 4b를 참조하면 XRD의 강한 피크는 Te2- 음이온을 포함하는 공간 그룹(space group) Fm3m를 갖는 SnTe의 FCC 암염(rock salt) 구조와 명확하게 일치함을 확인할 수 있다. 그러나 약 25o 및 40o (2θ) 부근에서, space group I42d 인 정방형(tetragonal) CuInTe2의 약한 피크가 관찰되었다. 이를 통해 정방형의 CuInTe2는 SnTe의 결정 구조와 유사성을 가지며, Te 음이온은 Cu+와 In3+ 양이온이 tetrahedral site에 있는 FCC 구조임을 확인하였다.Figure 3a is a high-resolution TEM photograph of an enlarged crystal grain interface (coating layer) of CuInTe 2 /SnTe nanostructure, and Figure 3b is a fast Fourier transform (FFT) pattern photograph of region a of Figure 3 4a is a result of XRD measurement of the CuInTe 2 /SnTe nanostructure. The CuInTe 2 and SnO 2 phases were confirmed from b of FIG. 3 , which is consistent with the observed results of the CuInTe 2 and SnO 2 phases in the XRD data of FIG. 4a . Referring to FIG. 4b, it can be confirmed that the strong peak of XRD is clearly consistent with the FCC rock salt structure of SnTe having a space group Fm3m containing Te 2- anion. However, around 25 o and 40 o (2θ), a weak peak of tetragonal CuInTe 2 of space group I42d was observed. Through this, it was confirmed that the tetrahedral CuInTe 2 has a similar crystal structure to SnTe, and the Te anion has an FCC structure in which Cu + and In 3+ cations are located at tetrahedral sites.

도 5는, CuInTe2/SnTe 나노구조체의 STEM-EDS(Scanning TEM-Electron Dispersive Spectroscopy)를 사용한 조성 분석 결과로서, CuInTe2 코팅층이 CuInTe2의 몰비와 유사한 Cu, In 및 Te 원자를 대부분 포함하고 있음을 나타냈다. 종합하면, 고해상도 TEM, FFT 패턴 및 EDS 분석 결과로부터, SnTe 결정립계에서 양이온 치환 반응을 통해 CuInTe2 나노 입자로 이루어진 균일한 코팅층이 형성된 것을 확인하였다.5 is a result of composition analysis using STEM-EDS (Scanning TEM-Electron Dispersive Spectroscopy) of CuInTe 2 /SnTe nanostructures, and the CuInTe 2 coating layer contains most of Cu, In, and Te atoms similar to the molar ratio of CuInTe 2 showed In summary, from the high-resolution TEM, FFT pattern, and EDS analysis results, it was confirmed that a uniform coating layer composed of CuInTe 2 nanoparticles was formed through a cation exchange reaction at SnTe grain boundaries.

<실험예 1: CuInTe<Experimental Example 1: CuInTe 22 /SnTe 나노구조체의 전기적 특성 측정> / Measurement of electrical properties of SnTe nanostructures>

실시예 1에서 제작된 다양한 몰 비의 전구체로 제작된 CuInTe2/SnTe 나노구조체 샘플 및 코팅되지 않은 SnTe 샘플의 전기적 특성을 측정하였다 (도 6). 구체적으로, Cu(Ac)2 및 In(Ac)3를 SnTe 1 몰에 대해 각각 1 몰 및 1 몰(CG-Cu:In/1:1), 3 몰 및 3 몰(CG-Cu:In/3:3), 5 몰 및 5 몰(CG-Cu:In/5:5), 7 몰 및 7 몰(CG-Cu:In/7:7), 3 몰 및 5 몰(CG-Cu:In/3:5), 및 5 몰 및 3 몰(CG-Cu:In/5:3) 첨가하여 다양한 몰 비의 전구체로 코팅된 나노구조체 샘플을 제작하였다. 도 6의 a 및 e는, 비저항 그래프이고 도 6의 b 및 f는, 제벡 계수 그래프이고 도 6의 c 및 g는, 파워팩터 그래프이며 도 6의 d는, CuInTe2 및SnTe의 밴드 다이어그램을 나타낸 모식도이다. 비저항과 제백 계수는 전구체 몰 비에 대한 명확한 추세를 나타냈다. CuInTe2/SnTe 나노구조체의 저항 및 제벡 계수는 코팅되지 않은 SnTe에 비하여 향상됨을 확인하였으며, 구체적으로 전구체의 몰 비가 증가함에 따라 저항 및 제벡 계수가 증가함을 확인하였다.The electrical properties of the CuInTe 2 /SnTe nanostructure sample and the uncoated SnTe sample prepared with various mole ratio precursors prepared in Example 1 were measured (FIG. 6). Specifically, 1 mole and 1 mole (CG-Cu:In/1:1), 3 moles and 3 moles (CG-Cu:In/ 3:3), 5 moles and 5 moles (CG-Cu:In/5:5), 7 moles and 7 moles (CG-Cu:In/7:7), 3 moles and 5 moles (CG-Cu:In /3:5), and 5 mol and 3 mol (CG-Cu:In/5:3) were added to fabricate nanostructure samples coated with various mole ratios of the precursor. 6 a and e are resistivity graphs, b and f of FIG. 6 are Seebeck coefficient graphs, c and g of FIG. 6 are power factor graphs, and d of FIG. 6 are band diagrams of CuInTe 2 and SnTe. It is also a model. Resistivity and Seebeck coefficient showed a clear trend with the precursor molar ratio. It was confirmed that the resistance and Seebeck coefficient of the CuInTe 2 /SnTe nanostructure were improved compared to uncoated SnTe, and specifically, it was confirmed that the resistance and Seebeck coefficient increased as the mole ratio of the precursor increased.

하기 표 2의 홀 효과 측정 결과에서는 CuInTe2/SnTe 나노구조체의 캐리어 농도 및 이동도가 코팅되지 않은 SnTe보다 감소했음을 나타났다. 이것은 주로 CuInTe2의 포텐셜 장벽에 의한 전도 캐리어 차단으로 인해 발생하는 에너지 필터링 효과에 의한 것으로, 제벡 계수의 증가 또한 CuInTe2의 포텐셜 장벽에 의한 에너지 필터링으로 인해 발생한다. 도 6의 d를 참조하면, SnTe는 180 meV의 좁은 밴드갭을 갖지만, CuInTe2는 약 1 eV의 밴드갭을 갖는다. 제벡 계수의 모델링을 통해 포텐셜 장벽을 약 100 meV정도로 예측할 수 있다.In the Hall effect measurement results of Table 2 below, it was shown that the carrier concentration and mobility of the CuInTe 2 /SnTe nanostructure were reduced compared to uncoated SnTe. This is mainly due to the energy filtering effect caused by the conduction carrier blocking by the potential barrier of CuInTe 2 , and the increase of the Seebeck coefficient also occurs due to the energy filtering by the potential barrier of CuInTe 2 . Referring to d of FIG. 6 , SnTe has a narrow band gap of 180 meV, but CuInTe 2 has a band gap of about 1 eV. Through modeling of the Seebeck coefficient, the potential barrier can be predicted to be about 100 meV.

구체적으로, 제벡 계수 향상에 대한 계산은 볼츠만의 수송방정식을 기반으로 수행되었다. 도 6의 b를 참조하여 설명하면, 검은 실선은 코팅층이 없는 SnTe의 계산 결과이다. CuInTe2 코팅층에 의한 에너지 필터링을 모델링하기 위해 이종(heterophases) 상 사이의 포텐셜 장벽을 통한 전송 확률(transmission probability)을 설명하는 문헌의 하기 식 2를 참고하였다:Specifically, the calculation of the Seebeck coefficient enhancement was performed based on Boltzmann's transport equation. Referring to b of FIG. 6, the black solid line is the calculation result of SnTe without a coating layer. In order to model the energy filtering by the CuInTe 2 coating layer, reference was made to Equation 2 in the literature describing the transmission probability through the potential barrier between heterophases:

[식 2][Equation 2]

Figure pat00003
.
Figure pat00003
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상기 식 2에서 EB는 장벽 높이, m*은 유효 질량, wB는 장벽 두께(코팅층 두께)이다. 전송 확률 TB는 식 1의 Fermi-Dirac 적분의 적분으로 구해진다. 결과는 도 6의 b에 나타냈다. 약 100 meV의 장벽 높이는 CG-Cu:In/7:7 나노구조체 샘플에 가장 적합했다. 상기 결과는 CuInTe2와 SnTe 사이의 포텐셜 장벽 높이가 약 100 meV임을 나타낸다. 그러나 다양한 코팅층 두께(Wb)는 계산에서 무시할만한 차이를 만들었다. 상기 제벡 계수의 계산을 위하여, 피팅 파라미터fraction factor(fv)를 사용하였다. 상기 fraction factor는 전체 결정립 수에 대한 코팅된 결정립의 수를 가정하여 구한 값으로서, CG-Cu:In/5:5 샘플의 경우 fv 값 0.7, CG-Cu:In/7:7 샘플의 경우 fv 값 1로 하여 계산한 것이 가장 잘 맞았다. 따라서, 제벡 계수의 향상은 CuInTe2 코팅층을 통한 에너지 필터링에서 기인함을 확인할 수 있었다. 제벡 계수 향상으로 인해, CG-Cu:In/5:5 샘플의 파워팩터는 코팅되지 않은 SnTe의 파워팩터 값인 약 1.8 mW/mK2로부터 약 2.1 mW/mK2까지 증가하였다.In Equation 2, E B is the barrier height, m * is the effective mass, and w B is the barrier thickness (coating layer thickness). The transmission probability T B is obtained as the integral of the Fermi-Dirac integral of Equation 1. The results are shown in Figure 6b. A barrier height of about 100 meV was most suitable for the CG-Cu:In/7:7 nanostructured sample. The above results indicate that the potential barrier height between CuInTe 2 and SnTe is about 100 meV. However, varying the coating layer thickness (W b ) made negligible differences in the calculations. For the calculation of the Seebeck coefficient, the fitting parameter fraction factor (f v ) was used. The fraction factor is a value obtained by assuming the number of coated crystal grains relative to the total number of crystal grains. In the case of the CG-Cu:In/5:5 sample, the f v value is 0.7, and in the case of the CG-Cu:In/7:7 sample, Calculation with an f v value of 1 was the best fit. Therefore, it was confirmed that the improvement of the Seebeck coefficient was due to energy filtering through the CuInTe 2 coating layer. Due to the Seebeck coefficient enhancement, the power factor of the CG-Cu:In/5:5 sample increased from about 1.8 mW/mK 2 for uncoated SnTe to about 2.1 mW/mK 2 .

Figure pat00004
Figure pat00004

<실험예 2: CuInTe<Experimental Example 2: CuInTe 22 /SnTe 코어셀 나노구조체의 열적 특성 측정> /Measurement of thermal properties of SnTe core cell nanostructure>

실시예 1에서 제작된 다양한 몰 비의 전구체로 제작된 CuInTe2/SnTe 나노구조체 샘플 및 코팅되지 않은 SnTe 샘플의 열적 특성을 측정하였다 (도 7). 도 7의 a 및 c는, 열전도도 그래프이고, 도 7의 b는, 격자 열전도도 그래프이다. 모든 코팅된 입자 샘플의 총 열전도율은 코팅되지 않은 SnTe보다 감소했다. 총 열전도도(κt)를 전자와 포논의 기여로 나누기 위해, Wiedemann Franz 법칙, κe = LσT를 사용하였고, 총 열전도도 (κtotal)에서 전자 열전도도 (κe)를 뺐다. 격자 열전도도(κL)는 도 7의 b에 표시된 것과 같이 크게 감소하였으며 거의 최소 열전도도를 기록하였다. Cahill의 모델에 따르면 SnTe의 최소 열전도율은 0.44 W/mK로 알려져 있다. 도 7의 b에 따르면, 본원의 대부분의 나노구조체 샘플에서 격자 열전도도는 약 0.4 내지 약 1.5 W/mK였으며, 최고 온도에서 격자 열전도도는 최소 열전도도에 가까웠다. 이러한 격자 열전도도의 감소는 간섭적 포논 산란에 의한 것으로 추정된다. 불순물 상이 결정립계에 위치하면 이동하는 포논(traveling phonon)의 위상이 불순물을 통과할 때 불순물과 모재의 음향 임피던스 차이로 인해 포논의 위상 지연이 발생하고, 이러한 다중 포논의 위상 지연은 간섭을 일으키므로 강력한 포논 산란을 유발할 수 있다. 상기 간섭적 포논 산란은 넓은 포논 스펙트럼에서 짧은 포논 평균 자유 행로(mean free path)를 만들며, 이것은 열전 분야에서 강력한 이점으로 작용할 수 있다. 도 7의 b에서 나타난 바와 같이 결정립 코팅된 샘플의 격자 열전도감소는 본 발명자의 이론적 계산 결과와 일치하였다. 또한, 도 7의 b를 참고하면, SnTe 및 CuInTe2를 포함하는 비균질 매질의 Klemens 이론에 기반하여 계산된 열전도도는 SnTe 보다 비슷하거나 훨씬 높은 것으로 나타났으며, 이는 CuInTe2의 열전도도가 SnTe 보다 높기 때문이다. 따라서, 결정립 코팅된 CuInTe2/SnTe 나노구조체의 격자 열전도도 감소는 전통적인 복합 재료 이론을 사용하여 설명할 수 없으며, 초저 격자 열전도도 값은 간섭적 포논 산란에 의한 것이라고 추정할 수 있다.The thermal properties of the CuInTe 2 /SnTe nanostructure sample and the uncoated SnTe sample prepared with various mole ratio precursors prepared in Example 1 were measured (FIG. 7). 7A and C are thermal conductivity graphs, and FIG. 7B is a lattice thermal conductivity graph. The total thermal conductivity of all coated particle samples was decreased compared to that of uncoated SnTe. To divide the total thermal conductivity (κ t ) by the electron and phonon contributions, the Wiedemann Franz law, κ e = LσT, was used and the electronic thermal conductivity (κ e ) was subtracted from the total thermal conductivity (κ total ). The lattice thermal conductivity (κ L ) was greatly reduced as shown in FIG. According to Cahill's model, the minimum thermal conductivity of SnTe is known to be 0.44 W/mK. According to b of FIG. 7 , the lattice thermal conductivity of most of the nanostructure samples of the present application was about 0.4 to about 1.5 W/mK, and the lattice thermal conductivity at the highest temperature was close to the minimum thermal conductivity. This decrease in lattice thermal conductivity is presumed to be due to coherent phonon scattering. When the impurity phase is located at the grain boundary, when the phase of a traveling phonon passes through the impurity, the phase delay of the phonon occurs due to the difference in acoustic impedance between the impurity and the parent material, and the phase delay of these multiple phonons causes interference. It can cause phonon scattering. The coherent phonon scattering creates a short phonon mean free path in a wide phonon spectrum, which can act as a strong advantage in the thermoelectric field. As shown in b of FIG. 7, the reduction in lattice thermal conductivity of the grain-coated sample was consistent with the theoretical calculation results of the present inventors. In addition, referring to b of FIG. 7, the thermal conductivity calculated based on the Klemens theory of a heterogeneous medium containing SnTe and CuInTe 2 was found to be similar to or much higher than that of SnTe, indicating that the thermal conductivity of CuInTe 2 was higher than that of SnTe. because it is high Therefore, the decrease in lattice thermal conductivity of the grain-coated CuInTe 2 /SnTe nanostructures cannot be explained using traditional composite theory, and the ultra-low lattice thermal conductivity values can be assumed to be due to coherent phonon scattering.

<실험예 3: CuInTe<Experimental Example 3: CuInTe 22 /SnTe 나노구조체의 열전 성능 지수(zT) 측정> /Measurement of thermoelectric figure of merit (zT) of SnTe nanostructures>

실시예 1에서 제작된 다양한 몰 비의 전구체로 제작된 CuInTe2/SnTe 나노구조체 샘플 및 코팅되지 않은 SnTe 샘플의 열전 성능 지수(zT)를 실험예 1 및 2의 측정값을 바탕으로 계산하였다 (도 8). 도 8의 a는, 열전 성능 지수 그래프로서, CuInTe2/SnTe 코어셀 나노구조체의 열전 성능 지수는 823K에서 1.68, 측정 온도 구간에서 평균 0.7 정도로서 해당 물질과 온도 대역에서 가장 높은 값을 가짐을 확인하였다. 열전 성능 지수는 CG-Cu:In/1:1 샘플부터 CG-Cu:In/5:5 샘플까지 증가했으며, CG-Cu:In/7:7 샘플은 낮은 파워팩터(823K에서 1.8 mW/mK2)로 인해 CG-Cu:In/5:5보다 열전 성능 지수가 낮았다. CG-Cu:In/7:7의 높은 전기 저항은 코팅되지 않은 SnTe에 필적하는 낮은 파워팩터를 초래했다. 따라서, CG-Cu:In/5:5 샘플이 823K에서 1.68의 최고 열전 성능 지수 값을 가졌다. 또한, 열전도도 및 제벡 계수를 시간 차를 두고 반복 측정한 결과로부터, CG-Cu:In/5:5 샘플 및 CG-Cu:In/3:5 샘플의 데이터의 변화 폭이 CG-Cu:In/5:3 샘플보다 적은 것을 확인할 수 있었다. 따라서, Cu 및 In의 함량이 같거나 Cu의 함량이 In 함량 보다 약간 적은 것이 Cu 함량이 In 함량 보다 많은 것에 비해 열전 소재 물성이 더 안정적인 것을 확인하였다. 다른 선행 문헌의 열전 구조체와의 열전 성능 지수 비교는 도 8의 b에 나타냈다. CuInTe2/SnTe 코어셀 나노구조체의 823K에서 Zt 값이 목록 중 가장 높았다. CdS 또는 Cu2Te 나노분말이 분산된 SnTe 나노구조체는 CuInTe2/SnTe 코어셀 나노구조체에 비해 열전 성능 지수가 낮았다. 이는 결정립 코팅된 CuInTe2/SnTe 코어셀 나노구조체의 구조가 기존의 나노 분말이 분산된 SnTe 나노구조체보다 열전 성능 지수를 향상시키는데 있어서 더 효율적임을 시사한다. 동등한 비교를 위한 예로서, CuInTe2 나노 분말이 분산된 SnTe 나노구조체는 열전 성능 지수가 873K에서 1.0 zT으로 기록되었으나, 총 열전도도는 873K에서 2.0 W/mK로, 823K에서 1.09 W/mK인 본원의 실시예 값 보다 현저히 높았다. 이것은 구조적 차이가 열전 성능의 향상을 초래할 수 있음을 시사한다. 도 8의 b를 참고하면, 종래 기술의 CdTe/SnTe 코팅 입자와 비교하여, 본원의 CuInTe2/SnTe 나노구조체의 823K에서의 zT 값 및 온도 구배(약 370K 내지 약 823K)에서의 평균 zT 값이 더 높은 것을 확인할 수 있다. 또한, 본원의 CuInTe2/SnTe 나노구조체의 온도 구배(약 370K 내지 약 823K)에서의 평균 zT 값은 상기 다른 선행 문헌의 열전 구조체의 값보다 높음을 확인할 수 있다.The thermoelectric figure of merit (zT) of the CuInTe 2 /SnTe nanostructure sample and the uncoated SnTe sample prepared with various mole ratio precursors prepared in Example 1 was calculated based on the measured values of Experimental Examples 1 and 2 (Fig. 8). 8a is a graph of the thermoelectric figure of merit, and the thermoelectric figure of merit of the CuInTe 2 /SnTe core cell nanostructure is 1.68 at 823K and an average of 0.7 in the measured temperature range, confirming that it has the highest value in the corresponding material and temperature range. . The thermoelectric figure of merit increased from the CG-Cu:In/1:1 sample to the CG-Cu:In/5:5 sample, with the CG-Cu:In/7:7 sample having a low power factor (1.8 mW/mK at 823K). 2 ), the thermoelectric figure of merit was lower than that of CG-Cu:In/5:5. The high electrical resistivity of CG-Cu:In/7:7 resulted in a low power factor comparable to uncoated SnTe. Thus, the CG-Cu:In/5:5 sample had the highest thermoelectric figure of merit value of 1.68 at 823K. In addition, from the results of repeated measurements of thermal conductivity and Seebeck coefficient at different times, the range of change in the data of the CG-Cu:In/5:5 sample and the CG-Cu:In/3:5 sample was found to be CG-Cu:In /5:3 samples were confirmed. Therefore, it was confirmed that the physical properties of the thermoelectric material were more stable when the Cu and In contents were the same or when the Cu content was slightly less than the In content, compared to when the Cu content was greater than the In content. Comparison of the thermoelectric figure of merit with the thermoelectric structures of other prior literature is shown in FIG. 8(b). The Zt value at 823 K of the CuInTe 2 /SnTe core cell nanostructure was the highest in the list. The SnTe nanostructure in which CdS or Cu 2 Te nanopowder was dispersed had a lower thermoelectric figure of merit than the CuInTe 2 /SnTe core cell nanostructure. This suggests that the structure of the grain-coated CuInTe 2 /SnTe core cell nanostructure is more efficient in improving the thermoelectric figure of merit than the conventional SnTe nanostructure in which nanopowder is dispersed. As an example for equivalent comparison, SnTe nanostructures in which CuInTe 2 nanopowders were dispersed recorded a thermoelectric figure of merit of 1.0 zT at 873K, but a total thermal conductivity of 2.0 W/mK at 873K and 1.09 W/mK at 823K. It was significantly higher than the Example value of. This suggests that structural differences can lead to improvements in thermoelectric performance. Referring to b of FIG. 8, compared to the prior art CdTe/SnTe coated particles, the zT value at 823K and the average zT value at the temperature gradient (about 370K to about 823K) of the CuInTe 2 /SnTe nanostructure of the present application are You can check higher. In addition, it can be seen that the average zT value in the temperature gradient (about 370K to about 823K) of the CuInTe 2 /SnTe nanostructure of the present application is higher than that of the thermoelectric structure of other prior literature.

종합하면, 본원 실시예에서의 결정립 코팅된 구조를 갖는 열전 CuInTe2/SnTe 코어셀 나노구조체는 SnTe 입자 표면에서 양이온 치환에 의해 CuInTe2 층을 형성하여 합성되었다. HSAB 이론, 열역학적 팩터 및 두 이종상의 구조적 유사성은 양이온 치환 공정에서 중요한 것으로 밝혀졌다. CuInTe2/SnTe 코어셀 나노구조체의 열전 성능은 캐리어 에너지 필터링 및 코팅된 결정립계에 의해 유도되는 간섭적 포논 산란에 의해 향상되었다. CuInTe2 코팅층에 의한 포텐셜 장벽은 저에너지 캐리어(홀)를 산란시켜 제벡 계수를 향상시킨다. 볼츠만 수송 방정식을 기반으로 한 계산에 따르면 SnTe와 CuInTe2 사이의 장벽 높이는 약 100 meV이다. 결정립 코팅된 CuInTe2/SnTe 나노복합체의 제벡 계수는 코팅되지 않은 SnTe 보다 약 40% 내지 약 50% 향상되었다. 파워팩터는 CG-Cu:In/5:5 나노복합체의 경우 약 1.8에서 약 2.1 mW/mK2로 향상되었다. 격자 열전도도는 파동 유사 포논의 간섭에 의한 포논 산란 강화로 인해 코팅되지 않은 SnTe에서 감소했다. CuInTe2 코팅층과 SnTe 모재의 음향 임피던스 불일치는 포논 위상 지연을 일으켜 다중 포논의 간섭을 일으킨다. 결정립 코팅된 CuInTe2/SnTe 코어셀 나노구조체의 격자 열전도도는 거의 최소 열전도도인 약 1.4 내지 약 0.4 W/mK로 기록되었다. 간섭적 포논 산란에 의한 격자 열전도도의 대폭 감소로 인해 결정립 코팅된 CuInTe2/SnTe 코어셀 나노구조체의 총 열전도율은 823K에서 약 1.09 W/mK로 기록되었으며, 이는 SnTe에 비해 상당히 낮은 값이다. CG-Cu:In/5:5 나노복합체의 열전 성능 지수는 코팅되지 않은 SnT의 2 배 이상인 823K에서 1.68을 기록했다. 결정립 코팅된 CuInTe2/SnTe 코어셀 나노구조체의 엄청난 기능적 향상은 캐리어 에너지 필터링과 일관된 포논 산란의 시너지 효과로 인해 발생함을 확인하였다. In summary, the thermoelectric CuInTe 2 /SnTe core cell nanostructure having a grain-coated structure in this example was synthesized by forming a CuInTe 2 layer by cation substitution on the surface of SnTe particles. The HSAB theory, the thermodynamic factor and the structural similarity of the two heterophases were found to be important in the cation substitution process. The thermoelectric performance of the CuInTe 2 /SnTe core cell nanostructure was improved by carrier energy filtering and coherent phonon scattering induced by the coated grain boundaries. The potential barrier by the CuInTe 2 coating layer improves the Seebeck coefficient by scattering low-energy carriers (holes). According to calculations based on the Boltzmann transport equation, the barrier height between SnTe and CuInTe 2 is about 100 meV. The Seebeck coefficient of the grain-coated CuInTe 2 /SnTe nanocomposite was improved by about 40% to about 50% compared to that of uncoated SnTe. The power factor improved from about 1.8 to about 2.1 mW/mK 2 for the CG-Cu:In/5:5 nanocomposite. The lattice thermal conductivity decreased in uncoated SnTe due to enhanced phonon scattering by the interference of wave-like phonons. Acoustic impedance mismatch between the CuInTe 2 coating layer and the SnTe base material causes a phonon phase delay and causes multi-phonon interference. The lattice thermal conductivity of the grain-coated CuInTe 2 /SnTe core cell nanostructure was recorded as about 1.4 to about 0.4 W/mK, which is an almost minimum thermal conductivity. Due to the significant reduction in lattice thermal conductivity by coherent phonon scattering, the total thermal conductivity of the grain-coated CuInTe 2 /SnTe core-cell nanostructure was recorded as about 1.09 W/mK at 823 K, which is significantly lower than that of SnTe. The thermoelectric figure of merit of the CG-Cu:In/5:5 nanocomposite was 1.68 at 823K, more than twice that of uncoated SnT. It was confirmed that the tremendous functional enhancement of the grain-coated CuInTe 2 /SnTe core cell nanostructures occurred due to the synergistic effect of carrier energy filtering and coherent phonon scattering.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.The above description of the present application is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present application. Therefore, the embodiments described above should be understood as illustrative in all respects and not limiting. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the following claims rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts thereof should be construed as being included in the scope of the present application. .

Claims (13)

이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 삼원계 물질 코팅층을 포함하는 열전 소재로서,
상기 삼원계 물질 코팅층은 칼코젠 물질, 제 1 치환 물질, 및 제 2 치환 물질을 포함하고,
상기 제 1 치환 물질 및 상기 제 2 치환 물질은 상기 이원계 칼코제나이드 물질의 금속과 상이한,
열전 소재.
A thermoelectric material comprising a binary chalcogenide material core and a ternary material coating layer,
The ternary material coating layer includes a chalcogen material, a first substitution material, and a second substitution material,
The first substituted material and the second substituted material are different from the metal of the binary chalcogenide material,
thermoelectric material.
제 1 항에 있어서,
상기 삼원계 물질 코팅층의 상기 제 1 치환 물질 및 상기 제 2 치환 물질은 상기 이원계 칼코제나이드 물질의 양이온 치환물인 것인, 열전 소재.
According to claim 1,
The thermoelectric material, wherein the first substitution material and the second substitution material of the ternary material coating layer are cation substitution products of the binary chalcogenide material.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 치환 물질은 Cu, Cs 및 Ag 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이고, 제 2 치환 물질은 Bi, Sb, Ga 및 In 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 열전 소재.
According to claim 1,
The first substitution material includes one or more selected from Cu, Cs, and Ag, and the second substitution material includes one or more selected from Bi, Sb, Ga, and In.
제 1 항에 있어서,
상기 삼원계 물질은 CuInTe2, AgInTe2, CuBiTe2, AgBiTe2, CuSbTe2, 및 AgSbTe2 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 열전 소재.
According to claim 1,
The ternary material includes at least one selected from CuInTe 2 , AgInTe 2 , CuBiTe 2 , AgBiTe 2 , CuSbTe 2 , and AgSbTe 2 .
제 1 항에 있어서,
상기 삼원계 물질 코팅층의 두께는 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 직경의 3% 내지 20%인 것인, 열전 소재.
According to claim 1,
The thermoelectric material, wherein the thickness of the ternary material coating layer is 3% to 20% of the diameter of the core of the binary chalcogenide material.
제 1 항에 있어서,
상기 열전 소재는 도펀트로서 Bi, Ag, Cu, Cr, Sb, Zn, Se, S, In, Cd, Mg, Hg, Mn 및 Ca 중에서 선택되는 하나 이상을 추가 포함하는 것인, 열전 소재.
According to claim 1,
The thermoelectric material further comprises at least one selected from Bi, Ag, Cu, Cr, Sb, Zn, Se, S, In, Cd, Mg, Hg, Mn, and Ca as a dopant.
제 1 항에 있어서,
상기 이원계 칼코제나이드 물질은 SnTe, SnSe, SnS, PbTe, PbSe, PbS, ZnTe, ZnSe, ZnS, ZnO, GeTe, Cu2Te, 및 Cu2Se 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 열전 소재.
According to claim 1,
The binary chalcogenide material includes at least one selected from SnTe, SnSe, SnS, PbTe, PbSe, PbS, ZnTe, ZnSe, ZnS, ZnO, GeTe, Cu 2 Te, and Cu 2 Se, a thermoelectric material .
제 1 항에 있어서,
상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 상기 삼원계 물질 코팅층 사이에서 에너지 포텐셜 장벽이 형성되고,
상기 에너지 포텐셜 장벽의 크기는 100 meV 내지 200 meV인 것인, 열전 소재.
According to claim 1,
An energy potential barrier is formed between the binary chalcogenide material core and the ternary material coating layer,
The size of the energy potential barrier is 100 meV to 200 meV, the thermoelectric material.
이원계 칼코제나이드 물질 코어를 준비하는 단계;
제 1 치환 물질 전구체 및 제 2 치환 물질 전구체를 포함하는 삼원계 물질 전구체를 준비하는 단계; 및
상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 상기 삼원계 물질 전구체를 혼합하고 양이온 치환 반응시켜 열전 소재를 수득하는 단계
를 포함하는, 열전 소재의 제조 방법.
preparing a binary chalcogenide material core;
preparing a ternary material precursor including a first substitution material precursor and a second substitution material precursor; and
Obtaining a thermoelectric material by mixing the binary chalcogenide material core and the ternary material precursor and subjecting to a cation substitution reaction
Including, a method for manufacturing a thermoelectric material.
제 9 항에 있어서,
상기 제 1 치환 물질 전구체 및 상기 제 2 치환 물질 전구체는 아세테이트(acetate) 계, 브로마이드(bromide) 계, 및 아이오다이드(iodide) 계 중에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인, 열전 소재의 제조 방법.
According to claim 9,
Wherein the first substitution material precursor and the second substitution material precursor include at least one selected from an acetate-based, a bromide-based, and an iodide-based method for manufacturing a thermoelectric material .
제 9 항에 있어서,
상기 제 1 치환 물질 전구체 및 상기 제 2 치환 물질 전구체의 함량은 상기 이원계 칼코제나이드 물질 1 몰에 대하여 각각 n 몰 및 m 몰인 것인, 열전 소재의 제조 방법:
상기 n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 6의 정수임.
According to claim 9,
The method for producing a thermoelectric material, wherein the amounts of the first substitution material precursor and the second substitution material precursor are n moles and m moles, respectively, with respect to 1 mole of the binary chalcogenide material:
Wherein n and m are each independently an integer of 1 to 6.
제 9 항에 있어서,
상기 양이온 치환 반응은 상기 이원계 칼코제나이드 물질 코어 및 상기 삼원계 물질 전구체를 혼합하고 가열하여 수행되는 것인, 열전 소재의 제조 방법.
According to claim 9,
The method of manufacturing a thermoelectric material, wherein the cation substitution reaction is performed by mixing and heating the binary chalcogenide material core and the ternary material precursor.
제 9 항에 있어서,
상기 양이온 치환 반응은 180℃ 내지 250℃ 온도 범위에서 수행되는 것인, 열전 소재의 제조 방법.
According to claim 9,
The cation substitution reaction is a method for producing a thermoelectric material that is performed in a temperature range of 180 ° C to 250 ° C.
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논문 Impact of energy filtering and carrier localization on the thermoelectric properties of granular semiconductors, Journal of Solid State Chemistry 2012, 193, 19-25.

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