KR20130106831A - 열전 성능 지수가 개선된 희토류 도핑 재료 - Google Patents

열전 성능 지수가 개선된 희토류 도핑 재료 Download PDF

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KR20130106831A
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라마 벤카타수브라마니안
브루스 알렌 쿡
에브게니 엠 레빈
조엘 리 하링가
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리써치 트라이앵글 인스티튜트
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Abstract

이러한 재료를 이용하는 열전 재료 및 열전 변환기. 열전 재료는 반도체 재료를 포함하는 제 1 성분 및 상기 제 1 성분에 포함된 희토류 재료를 포함하는 제 2 성분을 가지지며, 그에 따라, 반도체 재료와 희토류 재료로 이루어진 복합체의 성능 지수가, 반도체 재료의 성능 지수에 대비하여, 상승된다. 열전 변환기는 p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료를 가진다. p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나가 p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나 내에서 희토류 재료를 포함한다.

Description

열전 성능 지수가 개선된 희토류 도핑 재료{RARE EARTH­DOPED MATERIALS WITH ENHANCED THERMOELECTRIC FIGURE OF MERIT}
연방 정부에서 후원한 연구 또는 개발과 관련한 진술
본원 발명은 에너지 부서(Department of Energy)와의 계약 AL-WFO2008-04 에 의해서 만들어진 것이다. 본원 발명은 DARPA를 대신한 육군과의 계약 W911NF-08-C-0058으로 만들어진 것이다. 정부는 본원 발명에서 특정 권리들을 가진다.
관련 출원들의 교차 참조
본원은 2010년 9월 16일자로 출원되고 명칭이 "CE-AND YB-DOPED TAGS-85 MATERIALS WITH ENHANCED THERMOELECTRIC FIGURE OF MERIT"인 미국 출원 제 61/344,700 호와 관련되고 그리고 그에 대해서 35 U.S.C. 119(e)에 따라 우선권을 주장하며, 상기 출원의 전체 내용이 본원에서 참조로서 포함된다.
본원 발명은 열전 재료 및 이러한 재료의 성능 지수(figure of merit)의 개선에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본원 발명은 중간-온도(200-500 ℃) 발전을 위한 p-타입 극성 재료에 관한 것이다.
열전(TE; termoelectric) 재료는 지난 10년 동안 연구된 가장 주목받고(compelling) 그리고 난제가 되고 있는 재료들 중 하나이다. 열전 성능의 개선은 해당 시스템에서 최적의 매개변수들이 어떻게 얻어질 수 있는가에 대한 보다 확실한 이해를 필요로 한다. 열전 재료의 2개의 유망한 그룹은 GeTe 및 PbTe 좁은-밴드(narrow-band) 반도체들을 기초로 한다. GeTe 는 Ge 자리 상의 공극에 의해서 전도성이 결정되는 p-타입 반도체이다. 이러한 공극은 공극마다 2개의 홀의 생성을 통해서 전기적 특성에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 격자(lattice) 열 전도도가 감소되는 광자 산란에도 기여한다. 이는, GeTe를 독특한 기질(matrix)로 만들며, 그러한 기질에서는 여러 가지 원소들을 이용한 도핑이 열전 특성에 영향을 미칠 수 있는 복수의 메커니즘에 상당한 영향을 미칠 수 있다.
Ag 및 Sb를 이용한 GeTe의 도핑은 (GeTe)y{AgSbTe2)1- y 로서 전형적으로 기재되고 그리고 "TAGS"라는 약어로 통상적으로 지칭되는 시스템을 생성한다. y = 85%인 경우에, 그 재료가 TAGS-85로서 지칭되고, 그리고 Ag6 .52Sb6 .52Ge36 .96Te50 . 00 의 공칭 조성(nominal composition)으로 기술될 수 있다. 비록 TAGS-85가 수많은 중요한 용도들에서 이용되고 있지만, Ge 공극의 존재에 대한 캐리어 농도 및 격자 열 전도도의 강한 의존성 때문에 그리고 p-타입 열전기의 가장 높은 ZT 값 중 하나를 가진다는 것 때문에 계속적으로 흥미를 끌고 있다. 가변적인 Ag 대 Sb 비율의 효과에 대한 수많은 연구들이 있어 왔으나, 이들은 ZT의 실질적인 개선을 유도하지 못하였다. 캐리어 농도에 대한 Seebeck 계수 및 전기 전도도의 공통-의존성(co-dependence) 때문에, 일반적으로 하나가 증가하면 하나가 감소되는 결과를 초래한다. 이러한 수송(transport) 매개변수들을 분리(uncoupling)하기 위한 방식들 중 하나가, 최근의 PbTe에 대한 Tl 첨가로 나타난 바와 같이, 페르미 레벨(Fermi level) 부근에서 상태 밀도(density of states)를 높이는 것이다.
희토류 원자로 도핑하는 것은, 원칙적으로, (i) 페르미 레벨에 근접하여 증강된 전자 상태, (ii) 추가적인 캐리어 산란을 초래하는 국소적인 결함, 및/또는 (iii) 국소적인 자기 모멘트로 인한 추가적인 캐리어 산란을 형성하는 것에 의한, 3개의 메커니즘을 통해서 열전 재료들의 수송 특성에 영향을 미칠 수 있다. Ce, Eu, 및 Yb 희토류 원소들은 페르미 레벨 근처에서 공진(resonance) 전자 상태들을 형성할 수 있고 그리고 전자 수송 특성, 특히 열전력(thermopower)에 강하게 영향을 미칠 수 있다. 이는, 이원계 화합물, 예를 들어 CeAl3, YbAl2, 및 YbAl3, 및 삼원계 화합물, 예를 들어 RM2X2 에서 관찰되었으며, 이때 R = Ce, Eu, Vb, M = Mo, Fe, Co, Ni, Cu 이고, X = Si, Ge이다. 3d 및 4f-원자들을 이용한 GeTe의 도핑은 묽은 자성 반도체(dilute magnetic semiconductor; DMS), 예를 들어 Ge1 - xMnxTe 를 형성한다.
이러한 재료들에 대한 배경적인 설명은 이하의 참조 문헌들의 리스트에서 발견할 수 있을 것이며, 그러한 각각의 참조 문헌의 전체 내용들이 본원에서 참조에 의해서 포함된다.
1. L. E. Bell, Science 2008, 321, 1457-1461.
2. M. S. Dresselhaus, G. Chen, M. Y. Tang, R. Yang, H. Lee, D. Wang, Z. Ren, J.-P. Fleurial, P. Gogna, Adv. Mater. 2007, 19, 1043-1053.
3. G. J. Snyder, E. S. Toberer. Nat. Mater. 2008, 7, 105-114.
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본원 발명의 일 실시예에서, 반도체 재료와 희토류 재료의 복합체의 성능 지수를 반도체 재료의 성능 지수에 대비하여 상승시키기 위해서, 반도체 재료를 포함하는 제 1 성분 및 상기 제 1 성분에 포함된 희토류 재료를 포함하는 제 2 성분을 가지는 열전 재료가 제공된다.
본원 발명의 일 실시예에서, p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료를 가지는 열전 변환기가 제공된다. p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나가 p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나 내의 희토류 재료를 포함한다.
본원 발명의 전술한 개략적인 설명 및 이하의 구체적인 설명 모두가 예시적인 것이고, 본원 발명을 제한하지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본원 발명 및 본원 발명에 수반하는 많은 장점이, 이하의 첨부 도면들과 관련하여 고려될 때, 이하의 구체적인 설명을 참조하여 보다 완전하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 300 K에서 TAGS-85, TAGS-85+1% Ce, 및 TAGS-85+1% Yb의 X-레이 회절 패턴을 도시한 도면이다.
도 2a 및 2b는 각각, TAGS-85+1% Yb의, 1.8 및 300 K에서 측정된 자화(magnetization)(Mexp), 및 (b) 측정된 온도 의존성((M/H)exp) 비율 및 계산된 상자성 기여분(paramagnetic contribution)((M/H)par)을 도시한 도면들이다.
도 3a 및 3b는 각각, TAGS-85+1% Ce의, 1.8 및 300 K에서 측정된 자화(Mexp), 및 (b) 측정된 온도 의존성((M/H)exp) 비율 및 계산된 상자성 기여분((M/H)par)을 도시한 도면들이다.
도 4a 및 4b는 각각, 순수(neat) TAGS-85의 그리고 TAGS-85+1 % Ce의 그리고 TAGS-85+1 % Yb의 125Te 매직-각도 스피닝(magic-angle spinning) NMR 스펙트럼; 스피닝 주파수: 22 kHz, 리사이클 지연(recycle delay): 50 ms, 및 (b) 스핀-격자 완화(relaxation)를 보여주는, 동일한 샘플들의 정규화된(normalized) 적분 대 지연 시간을 도시한 도면들이다.
도 5a 및 5b는 각각, TAGS-85, TAGS-85+1% Yb, 및 TAGS-85+1% Ce의, (a) 전기 전도도 및 Seebeck 계수 그리고 (b) 열 전도도 및 역률(power factor)(S2σ)을 도시한 도면들이다.
도 6은 TAGS-85, TAGS-85+1% Yb, 및 TAGS-85+1% Ce의 온도, 성능 지수의 의존성(ZT)를 도시한 도면이다.
GeTe 또는 PbTe를 기초로 하는 좁은 갭 반도체의 열전 특성 및 관련 특성에 미치는 자기 원자를 이용한 도핑의 영향을 이해하기 위해서, 작게(low) 자화된 재료 및 핵 자기 공명의 자화율(susceptibility)의 측정과 같은 추가적인 방법을 채용할 필요가 있다는 것을 발견하였다. 본원에서, 희토류 원소들을 이용한 TAGS-85 도핑의 영향이 자화율, Te NMR 스펙트럼, Seebeck 계수, 그리고 전기적 및 열적 전도도로 제시되어 있다. 희토류 족(family)은 주기율표에서 15개의 원소들로 구성되고, 거기에 스캔듐 및 이트륨이 추가된다. 희토류 원소의 화학적 성질(chemistry)은 그의 최외측 4d 및 5p 쉘들(shells)에 의해서 차폐된(shielded) 4f 전자들에 의해서 주로 결정되고, 본원에서 개시되는 개념은 모든 희토류 원소들에 대해서 적용된다. TAGS-85에 대한 Ce 및 Yb 첨가의 하위 세트(subset)가 구체적인 예로서 설명된다. TAGS-85+1% 희토류 재료의 역률 및 성능 지수의 개선이 이하에서 설명된다.
결과들 및 설명
X-레이 회절, 밀도 및 비열 결과들이 이하에서 설명된다. 본 연구에서 이용된 샘플들의 초기 조성(이하의 '실험' 부분 참조)은 Ag6 .52Sb6 .52Ge36 .96Te49 .00Ce1 .00 (이하에서, TAGS-85+1% Ce) 및 Ag6 .52Sb6 .52Ge36 .96Te49 .00Yb1 . 00(TAGS-85+1% Yb)였다. 도 1은 비교를 위해서 3개의 샘플들의 회절 패턴들을 도시한다: TAGS-85+1% Ce, TAGS-85+1% Yb, 및 순수 TAGS-85. 보다 구체적으로, 도 1은 300 K에서의 TAGS-85, TAGS-85+1% Ce, 및 TAGS-85+1% Yb의 X-레이 회절 패턴들을, 3개의 모든 샘플들에 대한 (220) 피크 부근을 확대한 삽입도와 함께 도시한 도면이다. 응고된 상태 그대로의(as-solidified) TAGS-85+1% Yb 및 TAGS-85+1% Ce에서 획득된 X-레이 회절 패턴들이 사방 육면체(rhombohedral)(R3m) 동질 이상체(polymorph)(공간 그룹(space group) 160)에 대해서 색인되었고, 이는 GeTe의 고온 입방체 조직의 약간의 왜곡이다. 희토류 원자들은 GeTe 기질의 조직을 변경하지 않으나, 회절 패턴에서의 작은(minor) 선들의 존재는 희토류-포함 석출 제 2 상(phase)과 연관될 수 있을 것이다. TAGS-85+1% Ce 내의 28.10°및 34.36°에서의 작은 추가적인 피크들이 CeTe2 에 그리고 CeTe 에 기여할 수 있고, TAGS-85+1% Yb 내의 27.96°및 40.02°에서의 작은 피크들이 YbTe에 기여할 수 있다. GeTe-기반의 TAGS 재료들은 350 K 로부터 510 K까지의 온도 범위에 걸쳐서 저온 사방 육면체(R3m)로부터 고온 입방체 조직으로의 2-차 동질 이상체적 변태(transformation)를 나타낼 수 있고, 이는 (220) 쌍(doublet)에 대한 고온 XRD에 의해서 확인되었다.
도 1의 삽입도는 3개의 모든 샘플들에 대한 (220) 반사의 확대도를 도시한다; 이러한 반사의 분열은 [111] 방향을 따른 단위 셀(cell)의 길이 즉, 사방 육면체형 왜곡에 기인한다. 첫 번째로, TAGS-85+1% Ce 및 TAGS-85+1% Yb에 대한 양 피크들은 순수 TAGS-85의 피크들에 대비하여 ~ 0.3°만큼 더 작은 각도로 이동되고, 이는 희토류 원자들이 격자 내에 포함된다는 것을 나타낸다. 두 번째로, TAGS-85+1% Ce 및 TAGS-85+1% Yb 샘플들 내의 (220) 반사의 분할은 300 K에서의 순수 TAGS-85에 대해서 관찰되는 것 보다 더 작다. 순수 TAGS-85에 대한 분할은 온도 증가에 따라 감소되는데, 이는 점진적인 사방 육면체로부터 입방체로의 변태 때문이다. 이는, Ce 또는 Yb 를 이용한 도핑이 TAGS-85 의 입방체 형태의 안정성을 개선한다.
TAGS-85+1% Ce 및 TAGS-85+1% Yb 의 밀도는 순수 TAGS-85의 밀도 보다 약간 더 높다(표 참조). 이는 다음과 같은 2가지 이유에 기인한다: (i) Ce 및 Yb 가 샘플들 내의 다른 원소들 보다 더 큰 원자량을 가지고, 그리고 (ii) 도핑된 샘플들이 순수 TAGS-85 보다 적은 미세균열들을 포함한다. 도핑된 재료들의 비열은 순수 TAGS-85의 비열과 유사하다(표 참조)
자화.
도 2는 1원자% Yb로 도핑된 TAGS-85에 대한 (a) 자화 대 자기장, 및 (b) M/H 비율 대 온도의 그래프를 도시한다. 300 K에서, 샘플은, 50 kOe 자기장에서 측정될 때, 음의(반자성의(diamagnetic)) 질량 자화를 즉, Mexp = - 5.92 x 10-3 emu·g- 1 를 나타낸다. 보다 구체적으로, 도 2a 및 2b는 각각, TAGS-85+1% Yb의, 1.8 및 300 K에서 측정된 자화(Mexp), 및 (b) 측정된 온도 의존성((M/H)exp) 비율 및 계산된 상자성 기여분((M/H)par)을 도시한 도면들이고, 도 2a의 삽입도는 300 K 에서의 측정된 자화(Mexp)뿐만 아니라 계산된 상자성(Mpar), 및 반자성(Mdia) 기여분들을 도시하고; 도 2b의 삽입도는 계산된 (M/H)par 비율 대 온도를 도시한다.
그러나, 1.85 K에서, 자화는 Brillouin 함수에 의해서 설명될 수 있는 포화된 거동을 나타낸다. 비율 (M/H)exp = Xexp (이때, M 은 TAGS-85+1% Yb의 측정된 질량 자화이고, H 는 자기장이고, 그리고 Xexp 는 질량 자화율이다)는 C/T 거동을 따르고, 여기에서 C 는 Curie 상수이다. 120 K에서, 전체 자화는 주로(predominantly) 상자성인 상태로부터 주로 반자성인 상태로의 전이를 나타낸다. 따라서, TAGS-85 의 전체 자화는 2개의 기여분 즉, (i) PbTe:(Ag, Sb) 기질로부터의 반자성 및 (ii) Yb 원자들로부터의 상자성 즉, Xexp = Xdia + Xpar 을 나타내고, 여기에서 Xdia 및 Xpar 은 질량 반자성(음) 및 상자성(양) 자화율을 각각 나타낸다.
반자성 자화율(diamagnetic susceptibility)은 온도에 의존하지 않는 한편, 상자성 자화율은 온도 감소에 따라 증가되고 그리고 다음과 같이 표시될 수 있고;
Xpar(mol) = (NP2 eff)/3kT = C / T (1)
이때, Xpar(mol) = (Mm/H)par = Xparmmol 은 몰랄(molar) 자화율이고, mmol 은 물질의 식 단위(formula unit)의 몰랄 질량이며, N 은 Avogadro 수이고, k 는 Boltzmann 상수이며, 그리고 Peff 는 유효 몰랄 자기 모멘트이다. 본 출원인의 연구 중의 가장 낮은 온도에서 즉, 1.85 K에서, Xpar>>Xdia 이다. Curie 상수 C = Xpar(1.85 K)/T = 4.59x10-6 K·emu·g-1·Oe-1 을 결정하기 위해서, 1.85 K에서 획득된 데이터를 이용할 수 있을 것이다. 임의 온도, 예를 들어 300 K에 대해서 Xpar = C/T를 계산할 수 있을 것이고, 즉 Xpar = 0.15 x 10-7emu·g-1·Oe-1. 이러한 값 및 Xexp = - 1.07 x 10-7 emu·g-1·Oe-1 을 이용하여, Xdia = - 1.22 x 10-7 Kemu·g-1·Oe-1, 이는 자화 측정들과 양호하게 일치한다. 도 2a의 삽입도는 Xpar 및 Xdia M = XH 로부터 계산된 실험적인 자화(Mexp), 그리고 또한 상자성(Mpar) 및 반자성(Mdia) 기여분들을 도시한다. 도 2b의 삽입도는, 큐리 법칙에 맞고 그리고 TAGS-85 내의 Yb 이온들이 비-상호작용(non-interacting) 국소화된 자기 모멘트들을 형성한다는 것을 나타내는 역(inverse) (H/M)par = 1/Xpar 비율을 나타낸다. Yb 도핑된 샘플의 화학식은 몰랄 질량 mmol = 212.12 g에서 Ag6 .52Sb6 .52Ge36 .96Te49 .00/Yb1 . 00 으로서 표시될 수 있다. 식 (2)를 이용하여 계산된 Yb 원자 마다의 유효 자기 모멘트가 0.88 μB 가 되고, 이는 Yb3 + 에 대한 4.50 μB 의 원자 값(atomic value)보다 작다.
도 3은 1% Ce로 도핑된 TAGS-85에 대한 (a) 자화 대 자기장, 그리고 (b) M/H 비율 대 온도의 의존성을 도시한다. 보다 구체적으로 도 3(a) 및 3(b) 는 각각 TAGS-85+1% Ce의 1.8 및 300 K에서 측정된 자화(Mexp), 및 (b) 측정된 (H/M)exp 비율과 계산된 상자성 분포(H/M)par의 온도 의존성을 도시하고, 삽입도(a)는 300 K에서의 측정된 자화(Mexp), 및 계산된 상자성(Mpar) 기여분과, 삽입도(b)는 계산된 (H/M)par 비율 대 온도를 도시한다. 일반적으로, 의존성은 TAGS-85+1% Yb에 대해서 관찰된 것과 유사하고; 차이는 Curie 상수 및 상자성 기여분이 더 크다는 것이고, 즉 C = Xpar(1.85 K)/T = 8.62 x 10-6 K·emu·g-1·Oe-1 및 300 K에서, Xpar 0.29 x 10-7 emu·g-1·Oe- 1 이다. 300 K에서 Xexp = - 0.81 x 10-7 emu·g-1·Oe- 1 를 이용하여, TAGS-85+1% Yb에 대해서 획득된 것과 매우 근접한 반자성 기여분 Xdia = - 1.1 x 10-7 emu·g-1·Oe- 1 를 결정할 수 있다. 따라서, 300 K에서, 양 도핑된 샘플들은, 크기가 기질의 반자성 자화율보다 상당히 더 작은, 작은 상자성 자화율을 가진다. TAGS-85+1% Ce의 화학식이 몰랄 질량 mmol = 211.47 g에서 Ag6 .52Sb6 .52Ge36 .96Te49 .00Ce1 .00 으로서 표시될 수 있다. 식 (2)를 이용하여 계산된 Ce 원자 마다의 유효 자기 모멘트가 1.21 μB 가 되고, 이는 Ce3 + 에 대한 2.54 μB 의 원자 값보다 작다.
125 Te NMR 스펙트럼 및 완화 측정.
도 4는 순수 TAGS-85의 그리고 1% Ce와 1%Yb로 도핑된 125Te NMR 스펙트럼(도 4a) 및 125Te NMR 스핀-격자 완화(도 4b)를 도시한다. 보다 구체적으로, 도 4a 및 4b는 각각 순수 TAGS-85의 그리고 TAGS-85+1 % Ce의 그리고 TAGS-85+1 % Yb의 125Te 매직-각도 스피닝 NMR 스펙트럼; 스피닝 주파수: 22 kHz, 리사이클 지연: 50 ms, 및 (b) 스핀-격자 완화를 보여주는, 동일한 샘플들의 정규화된 적분 대 지연 시간을 도시한 도면들이다. TAGS-85는 Sb 및 Ag 도펀트, Ge 부격자(sublattice) 상의 공극, 및 Knight 시프트(shifts)의 분포와 같은 재료 내의 여러 가지 타입의 불규칙성으로 인해서 넓은 NMR 스펙트럼을 나타낸다. 상자성 도펀트에 의해서 생산되는 자기장은 NMR 신호들의 관찰성(observability)을 손상시킬 수 있으나, 본 재료 내에서, 125Te NMR 신호들은 Yb 및 Ce 도핑 후에도 관찰가능하게 유지된다. 선 폭의 약간의 증가가 도핑된 샘플에 대해서 관찰되고, 이는 상자성 확장(paramagnetic broadening)에 기여할 수 있다. 길이방향 (T1) 및 횡방향(T2) 125Te NMR 완화 시간을 측정할 수 있고 그리고 T1 ~ 4 ms 및 T2 ~ 0.4 ms(도 4b)에서 그들이 본질적으로 변화되지 않고 유지되도록 할 수 있다. 매직-각도 스피닝하에서의 재커플링(recoupling)을 이용하여, 배향-의존형 상호작용(예를 들어, 화학적 시프트 이방성)으로 인한 겉보기(apparent) 완화 시간 T2* 의 측정이 또한 큰 변화를 보여주지 않는다.
열전력 , 전기적 및 열적 전도도.
순수한 TAGS-85 및 1 원자% Ce 또는 Yb로 도핑된 2개의 샘플들에 대한 Seebeck 계수(S) 전기 전도도(σ), 및 열 전도도(k)의 온도 의존성이 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 보다 구체적으로, 도 5a 및 5b 는 각각, TAGS-85, TAGS-85+1% Yb, 및 TAGS-85+1% Ce의, (a) 전기 전도도 및 Seebeck 계수 그리고 (b) 열 전도도 및 역률(S2σ)을 도시한다. 샘플들에 대해서 수송(Transport) 측정을 실시하였고, 미세균열들이 육안으로 관찰되지 않았다. 전기 전도도가 1 원자% Ce 또는 Yb를 포함하는 샘플들에서 본질적으로 변경되지 않고 유지되는 한편, Seebeck 계수는 300 K에서 ~ 13% 만큼 그리고 700 K에서 ~ 16% 만큼 증가되었다(도 5a). Seebeck 계수의 증가는 다른 설비를 이용하여 이루어진 측정에 의해서 확인되었다. 온도 사이클링으로 인한 가능한 이력(hysteresis)을 평가하기 위해서, 가열 및 냉각 모두에 대한 양 재료들의 열전기적 측정을 실시할 수 있다. Seebeck 계수의 경우에, 순수 TAGS-85 및 도핑된 샘플들에 대해서 가장 큰 이력(~ 6%)이 525 K에서 관찰되었다. 그러나, 측정의 각각의 사이클에서, 종점(end) 온도들 즉, ~ 300 K 및 750 K에서의 열전력의 값은 모든 샘플들에 대해서 매우 유사하였고, 즉 Seebeck 계수는 열적 사이클링 중에 변경되지 않았다. 도핑된 샘플들의 전기적 저항이 또한 열적 이력을 나타내나, 열적 사이클링 이후의 종점 온도들에서의 값들이 다시 유사해진다.
설명.
Ce 또는 Yb로 도핑된 TAGS-85에 대해서 관찰된 하나의 효과는 700 K에서 16%만큼의 Seebeck 계수의 증가이고, 이는 역률(S2σ)의 30% 초과 증가를 초래한다(도 5b 참조). 700 K에서의 순수 TAGS-85가 27 μW·cm-1·K- 2 의 최대 역률에 도달하는 한편, 희토류-함유 샘플들은 36 μW·cm-1·K- 2 의 최대 역률에 도달하였다. Ce 또는 Yb 를 이용한 TAGS-85의 도핑이 역률에 유사하게 영향을 미친다는 것을 주지하여야 한다.
TAGS-85를 포함하는 GeTe-기반 재료들에서, Ge 부격자 상의 각각의 공극은 공유 결합에서 2개의 홀들을 생성한다. Hall 효과 측정은, TAGS-85가 열화(degenerate) 반도체가 되게 한다는 것을 보여주고, 이때 홀 농도는 300 K에서 ~ 1021 cm-3이다. Ce 또는 Yb를 이용한 TAGS-85의 도핑은 반도체의 자기 상태를 분명하게 변화시킨다. TAGS-85+1% Ce 및 TAGS-85+1% Yb에 대해서 관찰된 Curie-타입 상자성(도 2 및 3 참조)은 란탄족 원소들(lanthanides)이 재료들을 통해서 분산되고 그리고 국소적인 자기 모멘트들을 수송한다는 것을 보여준다.
여러 환경들에서의 Ce의 국소적인 자기 모멘트의 형성은 복잡한 문제가 된다. 세륨은 Ce3 + 상태(4f1)에서 자기 모멘트를 수송할 수 있는 반면, Ce4 + 상태(4f0)에서는 비자기적이 된다. 유사하게, 이테르븀은 Yb2 + 상태(4f14)에서 비자기적이고 그리고 Yb3 + 상태(4f14)에서는 자기 모멘트를 수송한다. 그에 따라, TAGS-85 내의 Ce 및 Yb의 자기 모멘트들은 4f-전자들과 연관되나, 자화율로부터 계산된 값들은 Ce3+ 및 Yb3 + 에 대해서 예상되는 것보다 더 작다. 이러한 감소에 대한 2가지 가능한 설명은 다음과 같다: (i) Ce 및 Yb 가 기질 내에서 매우 작은 제 2-상 클러스터들(순수 Ce 또는 Yb 금속들, 또는 그들의 텔루르화물들(tellurides))을 형성하거나, 또는 (ii) Ce 및 Yb 의 주변 원자들과의 결합으로 인해서, 그들의 4f-전자 국소화(localization)가 감소된다. IV-VI 반도체들은 란탄족 원소들로 도핑될 수 있고 그리고 기질 내에서의 그들의 존재는 EPR에 의해서 관측되었다. PbTe 및 GeTe 반도체들을 3d- 및 4f-원소들로 도핑하는 것의 효과는 몇 가지 간행물들에서 기술되어 있다. 단-결정 Pb1 - xMxTe 고용체들의 경우에, M Mn 또는 Gd 의 x/2 = 1 내지 4 원자%의 농도들이 교환 상호작용(exchange interaction) 및 자화율에 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 유사한 효과가 M = 3d-원소들을 가지는 Ge1 - xMxTe 재료들에서 관찰되었다.
양 Yb3 + (자기적) 및 Yb 2+ (비자기적) 상태의 Pb1 -x- yGexYbyTe 의 자화율 측정이 재료에서 동시에 나타날 수 있을 것이다. 여기에서, 첫 번째로, 상이한 원자가 상태들의 Ce 및 Yb 의 존재가 직접적인 방법에 의해서, 예를 들어, Lm-엣지 분광학(edge spectroscopy)에 의해서 확인되어야 하고, 그리고 두 번째로, 란탄족 원소의 일부 양이 기질 내에서 분산되지 않을 수 있고, 결과적으로 1 원자% 미만의 PbTe 내의 Ce 및 Yb 농도들을 초래할 수 있을 것이다. 그러나, Ce 또는 Yb를 이용한 TAGS-85의 도핑이 GeTe의 도핑과 유사하다는 것을 결론지을 수 있을 것이다. XRD 데이터 및 NMR 라인 폭의 약간의 증가가, 격자 내에 위치된 란탄족 원소들의 4f-국소화된 자기 모멘트들로 인해서, 상자성 확장에 기여할 수 있을 것이고, 이는 300 K에서의 1% Ce 또는 1% Yb 에 의해서 생성되는 작은 상자성 기여분들과 일치된다.
300 K에서 TAGS 85+1% Ce 및 TAGS-85+1% Yb 의 총 자화에 상자성 기여분을 Mpar = XparH 로서 평가할 수 있고, 이때 Xpar 은 자화율이고(도 2 및 3과 상기 기재내용 참조) 그리고 H = 9.4 x 104 Oe는 NMR 실험들에서 사용된 자석의 자기장이다: Mpar ≤ 0.003 emu·g-1. 비교하면, 만약 상자성 기여분이 ~0.5 emu·g- 1 이라면, 1H NMR 스펙트럼은 큰 확장(broadening)을 나타내거나, 심지어는 관찰될 수 없을 것이다. 비록, 2개의 핵종들(nuclides)의 회전 자기적(gyromagnetic) 비율들의 차이로 인해서 1H NMR 스펙트럼에 미치는 상자성의 영향이 125Te NMR 스펙트럼에 미치는 영향 보다 3.5 배 더 클 것이지만, 함께 취해진 자기(magnetic), NMR, 및 열전력 데이터는, 순수 1V-VI 반도체들에 대해서 관찰되는 바와 같이 Ce 및 Yb 가 TAGS-85의 격자에 포함된다는 것을 나타낸다. 스핀-격자 125Te NMR 완화 데이터 및 스핀-격자 완화의 캐리어 농도에 대한 의존성을 기초로, 1% Ce 또는 Yb 로 도핑된 TAGS-85 내의 홀 농도가 순수 TAGS-85 ~1021 cm- 3 에서와 동일한 자릿수(order of magnitude)라는 것을 결론지을 수 있을 것이다.
사실상, 1% Ce 또는 1% Yb 의 첨가는 재료의 전기 전도도에 대해서 무시할만한 영향을 갖는 것으로 보인다. 일반적으로, GeTe의 경우에 232 K가 되는, 재료의 Debye 온도 보다 높은 온도에서, 묽은(dilute) 자성 불순물들은 양자들에 대해서 본질적으로 영향을 미치지 않는다. 그러나, TAGS-85+1% Ce 및 TAGS-85+1% Yb 의 열전도도(k)는, 순수 TAGS-85의 열 전도도 보다, 300 K에서 약간 더 작으나 700 K에서 6% 만큼 더 높다. 도 5b를 참조한다.
전체적인 열 전도도는 광자 전파로 인한 격자 성분 Klat 과 전하 캐리어에 의해서 운송되는 열로 인한 캐리어 성분 Kcar 의 합계이다. 격자 성분은 광자 산란의 함수이며, 이는 수많은 변수들에 따라 좌우된다. 원소 반도체에서, Debye 온도 보다 높은 열 전도도의 격자 성분은 광자 산란 레이트(rate)에 의해서 결정되고 그리고 일반적으로 다음과 같이 온도에 따라 증가된다:
Figure pct00001
(2)
합금 반도체에서, 광자 산란 레이트에 대한 점 결함 기여분(point defect contribution)이 또한 존재하고, 이는 i번째 원자의 원자량과 합금의 평균 원자량 간의 차이에 비례하는 양 만큼 격자 열 전도도를 낮추고, 이하의 식을 이용하여 격자 열 전도도에 미치는 희토류 원자 첨가의 영향을 평가한다:
Figure pct00002
(3)
여기에서 T는 절대 온도이고 그리고 다음과 같이 규정되는 질량-요동 매개변수(mass-fluctuation parameter)이며,
Figure pct00003
(4)
여기에서, Cj 는 질량 mj 의 j 번째 원소의 농도이고 그리고,
Figure pct00004
는 이하의 식에서 주어지는 평균 원자량이다:
Figure pct00005
(5)
순수 TAGS-85 에서의 그리고 TAGS-85+1% Yb 에서의 농도 및 원자량을 이용하여, 식(5)는 Yb 의 첨가가 순수 TAGS-85에 비해서
Figure pct00006
의 2.6%의 증가를 초래하여야 한다는 것을 예측하는 한편, TAGS-85+l% Ce
Figure pct00007
가 0.5% 만큼 증가된다는 것을 예측한다. 질량 요동으로 인한 열 전도도의 약간의 감소의 이러한 예측들은 ~ 300 K에서의 실험 데이터와의 일치를 나타내는 한편, ~ 500 K 초과에서는 반대의 효과가 관찰되었고: 희토류로 도핑된 TAGS-85 의 열전도도가 순수 TAGS-85의 열 전도도 보다 더 높았다. 사실상, 점 결함 산란은 일반적으로 광자 평균 자유 이동 거리들(phonon mean free path lengths)이 보다 길어지는 경향이 있는 낮은 온도에서 보다 효과적이나, 희토류-함유 조성물에서의 높은 온도에서의 열 전도도 증가가 궁금하다. 이러한 현상은, 격자를 부분적으로 안정화시키는 것에 의한 Grueneisen 매개변수의 감소와 또는 GeTe 내의 사방 육면체에서 입방체로의 상 변태에서의 변화와 관련될 수 있을 것이다.
도 6은 성능 지수의 온도 의존도를 보여주며, 즉 ZT = S2σT/k 이며, 여기에서 k는 전체 열 전도도 k = klat + kcar 이며, klat 및 kcar 은 TAGS-85+1% Ce, TAGS-85+1% Yb의 각각이 격자 및 캐리어 열 전도도이고, 그리고 TAGS-85 데이터는 순수 TAGS-85의 열전 효율에 대비한 희토류 원소들로 도핑된 TAGS-85의 열전 효율의 개선을 나타낸다. 비록, 700 K에서 Ce 및 Yb 로 도핑된 TAGS-85의 열 전도도가 순수 TAGS-85의 열 전도도 보다 6% 만큼 더 높지만, 16% 만큼의 Seebeck 계수의 증가는 열 전도도로부터의 부정적인 영향을 극복하고 그리고 ZT 가 1.5에 도달하게 된다(ZT ∝ S2 참고). 이는, 벌크 p-타입 열전기들에 대해서 보고된 가장 높은 ZT 값들 중 하나이다. 희토류가 첨가된 TAGS-85의 프로세싱을 최적화하기 위한 단계들이 취해질 때, 2에 접근하는 보다 더 높은 ZT 값들이 관찰된다.
열전력은 여러 가지 매개변수들에 대해서 민감하다. 일반적으로, Seebeck 계수의 증가는 (i) 캐리어 농도의 감소, (ii) Fermi 레벨 근처에서의 공진 상태의 형성, (iii) 격자 결함에 의한 산란, 및/또는 (iv) 국소적인 자기적 모멘트에 의한 산란에 기인할 수 있다. 열 전력의 증가에 대한 가장 단순한 설명은 희토류 첨가가 캐리어 농도의 감소를 초래하였다는 것이다. 전기 전도도가 본질적으로 변화되지 않는다는 것을 주지하여야 할 것이고, 이는 이동성(mobility)이 증가되는 경우에만 발생할 수 있을 것이다. 그러나, 샘플들의 125Te NMR 뿐만 아니라 Hall 효과 측정치들은, 그들이 300 K에서 약 1021 cm- 3 의 유사한 캐리어 농도를 가진다는 것을 보여준다. 이러한 측정들은 실제 샘플들에 대해서 실시되었고, 예를 들어, 결과는 잉곳들(ingots) 내의 조성적 변동들에 기인한 것이 아니며; 따라서, 설명 (i)이 배제될 수 있을 것이다. 대조적으로, 공진 상태의 형성으로 인한 것뿐만 아니라 격자 왜곡(불완전성) 및 자기적 산란으로 인한, Ce 또는 Yb 로 도핑된 TAGS-85 에서의 열전력의 개선은 배제할 수 없을 것이다. 마지막 2개의 가능한 효과들은, 상당히 더 큰 7.55 μB 의 자기적 모멘트를 가지는, La 또는 Lu, 또는 Gd 와 같은 비-자기적 원소들로 TAGS-85를 도핑함으로써 확인될 수 있을 것이다. 마지막으로, 희토류 원소들을 이용한 TAGS-85의 도핑은 입방체 변경의 안정성을 개선하는 것으로 보인다.
1 원자% 희토류를 이용한 TAGS-85의 도핑은 묽은 자성 반도체를 형성하는 비-상호작용 국소화된 자기적 모멘트들을 생성한다. 국소화된 자기적 모멘트들은 Ce 및 Yb의 4f1- 및 4f13-쉘들과 연관되나, 예를 들어, 계산된 값들은 Ce3 + 및 Yb3 + 에 대해서 예상되는 것 보다 작다. 이는, 모든 Ce 및 Yb 원자들이 격자 및/또는 희토류 원소들 내로 포함된 것이 아니고 상이한 정도의 4f-전자 국소화(localization)를 갖는 상태에 있기 때문일 수 있다. TAGS-85+1% Yb 및 TAGS-85+1% Ce 의 전기 전도도가 TAGS-85 의 전기 전도도와 유사하지만, Seebeck 계수 및 열 전도도는 각각 15% 및 11% 만큼 증가된다. Seebeck 계수의 증가로 인해서, TAGS-85+1% Ce 및 TAGS-85+1% Yb 의 역률이 36 μW·cm-1K-2 에 도달하였고, 이는 순수 TAGS-85의 27 μW·cm-1K- 2 의 역률에 비해서 30% 증대된 것이다. 비록 TAGS-85+1% Ce 및 TAGS-85+1% Yb 의 열 전도도가 6% 만큼 증가되었지만, Seebeck 계수의 증가가 열 전도도의 감소를 극복하였고 성능 지수는 25% 만큼 더 크며, 결과적으로 700 K에서 ZT = 1.5 가 되고, 이는 벌크 p-타입 열전체에 대해서 가장 높은 값으로 보고된 것들 중 하나이다. 125Te NMR 로부터 추정된 홀 농도가 희토류 도핑에 의존하지 않는다는 것을 고려하면, Seebeck 계수의 관찰된 증가는 Fermi 레벨 근처에서의 공진 상태의 형성에 기인할 수 있고, 또는 격자 왜곡에 의한 산란에 기인할 수 있고 그리고 국소화된 자기적 모멘트에 의해서일 수 있다.
실험
샘플 분석.
Ce 및 Yb 첨가물을 가지는 TAGS-85 잉곳을 용융된 실리카 앰풀 내에서의 성분 원소들의 직접적인 반응에 의해서 준비하였다. 5N Te, Ge, Ag, 및 Sb 의 화학양론적인 양에 더하여, 충분한 양의 희토류를 첨가하여 Ag6 .52Sb6 .52Ge36 .96Te49 .00Ce1 .00 및 Ag6 .52Sb6 .52Ge36 .96Te49 .00Yb1 . 00 의 공칭 조성을 획득하였다. 앰풀을 1223 K까지 가열하여 성분들을 완전히 용융시켰고, 그리고 주기적으로, 매 15분 마다 흔들어서 응고시에 균질한 잉곳을 형성하였다. 3 시간 후에, 용융체들을 냉각시켰다. 응고된 잉곳들은 통상적으로 육안으로 분명하게 확인할 수 있는 밀리미터-크기의 입자들을 포함한다. 응고된 그대로의(as-solidified) 잉곳으로부터 섹션화된 피스들에 대해서 자기적 특성화(magnetic characterization)를 실시하였다. 다이아몬드 톱에 의한 컷팅 후에 마스터(master) 잉곳 내의 여러 위치들에서 획득된 ~ 3 x 3 x 8 mm3 의 평균 크기의 추가적인 샘플들에 대해 수송 측정치들을 획득하였다. Ce 또는 Yb 로 도핑된 TAGS-85 샘플들은 순수 TAGS-85에서 관찰되는 것 보다 더 적은 수의 가시적으로 관찰가능한 균열들을 통상적으로 포함한다.
X- 레이 회절 .
λ= 1.54 Å의 Cu-Kα복사선을 이용하는 Scintag 회절계를 이용하여 연마된(ground) 분말들에 대해서 상온 X-레이 회절 패턴을 획득하였다.
자기적인 측정들.
도핑된 샘플들의 벌크 자기적 자화를 1.8 및 300 K 에서 0 으로부터 70 kOe 까지 변화되는 자기장(H) 내에서 Quantum Design 초전도 양자 인터페이스 장치 자력계(magnetometer)에 의해서 측정되었다. 자화율의 온도 의존도가 50-kOe 자기장 내에서 1.8 - 350 K의 온도 범위에서 측정되었다. 측정을 위해, 샘플들은 샘플들의 가장 낮은 자화율보다 더 작은 자릿수의 낮은 자화율, Xdia = -1.3 x 10-8 emu·g-1·Oe- 1 의 겔 캡슐 내에 배치되었다. 자기적 측정의 불확실성은 2% 보다 적었다.
핵 자기 공진( NMR ).
22 kHz 스피닝 주파수의 2.5-mm 매직-각도 스피닝 프로브 헤드를 이용하여, 126 MHz 에서 Bruker Biospin (Billerica, MA) DSX-400 분광계(9.3900 T의 자기장)상에서 솔리드-스테이트 l25Te NMR 실험을 실시하였다; 샘플 질량들은 ~ 30 mg 이었다. 2 ㎲ - tr - 3.8 ㎲ - tr 의 2-펄스 시퀀스에 의해서 생성된 Hahn 에코(echo) 이후에 신호들이 검출되었고, 여기에서 tr 는 회전 기간을 나타낸다. 제 2 펄스 및 수신기 상(receiver phase)을 EXORCYCLE 방식에 따라서 사이클링하였다. 측정 시간들은 각각의 스펙트럼들에 대해서 약 10 시간이었다. 제 2 기준으로서 +750 ppm의 고체 Te02 를 통해서, 125Te NMR 화학적 시프트들이 용액 내의 Te(OH)6 를 참조하였다.
열전력 , 전기적 및 열적 전도도, 및 Hall 효과.
가시적인 미세균열들을 가지지 않는 샘플들에 대해서 TAGS-85 샘플들의 수송 특성들을 측정하였다. 자동화된 데이터 획득 시스템에 의해서 298 K 내지 773 K의 온도 범위 내의 진공 챔버(~ 10-7 torr)에서 고온 전기 저항 측정들이 표준 dc 4-지점 프로브 기술에 의해서 실시되었다. Seebeck 계수 및 저항을 동일한 샘플에 대해서 동시에 측정하였다. 저항 측정 동안에, 샘플들의 어느 한 단부 상에 위치된 히터들로의 전류를 개별적으로 조정하여 5 K 내지 10 K 의 온도차를 생성하였다. Seebeck 계수를 열전쌍의 Pt 레그들(legs)에 대해서 측정하였다. 전체적인 열 전도도 k = klat + kcar 를 다음과 같이 3개의 매개변수들 즉, 열 확산도(α), 비열 용량(specific heat capacity)(Cp), 및 샘플 밀도(d)의 측정에 의해서 결정하였으며, 이때 상기 klat 및 kcar 는 각각 격자 및 캐리어 열 전도도이다:
k = αCpd (1)
열 확산도(α)는 레이저 플래시 확산도 방법(laser flash diffusivity) 방법을 이용하여 결정되고, 여기에서 얇은 디스크의 전방 표면이 진공하에서 1-ms 레이저 펄스로 조사(照射)된다. 적외선 검출기는 결과적인 후방 표면의 온도 프로파일을 기록한다.
밀도 및 비열 용량의 측정들.
샘플 밀도(d)는 Archimedes 방법에 의해서 측정하였다. 비열 용량(Cp)은 Perkin-Elmer DSC-4 Differential Scanning Calorimeter 를 이용하여 측정하였다. Hall 효과를 300 K에서 1-T 자기장 내에서 측정하였다. Hall 효과로부터의 열전력, 전기적 및 열적 전도도, 그리고 캐리어 농도의 불확실성은 각각 5, 2, 5, 및 10% 이다.
296 K에서의 TAGS-85+l% Ce, TAGS-85+1% Yb, 및 TAGS-85 의 밀도 및 비열 용량.
조성 밀도(g·cm-3) 비열 용량(J·g-1·K-1)
TAGS-85+l% Ce 6.145 0.259
TAGS-85+1% Yb 6.225 0.259
TAGS-85 6.113 0.260
결과들
1 원자% Ce 또는 Yb 로 TAGS-85를 도핑하면, Curie 법칙을 따르는 비-상호작용 국소화된 자기적 모멘트들을 가지는 묽은 자성 반도체 시스템이 형성된다. 상자성 효과들에 기인하는, 125Te NMR 에서의 X-레이 회절 패턴들 및 약간의 확장은, Ce 및 Yb 원자들이 격자 내로 포함된다는 것을 보여준다. 125Te NMR 스핀-격자 완화 및 Hall 효과는 유사한 ~ 1021 cm- 3 의 홀 농도를 보여준다. 700 K에서, Ce- 및 Yb-도핑된 샘플들의 전기 전도도는 순수 TAGS-85의 전기 전도도와 유사한 반면, 열 전도도 및 Seebeck 계수는 각각 6% 및 16% 만큼 더 크다. 관찰된 열전력의 증가에 대한 원인이 되는 가능한 메커니즘들은 (i) Fermi 레벨 근처에서의 공진 상태들의 형성 및 (ii) 격자 왜곡에 의한 및/또는 상자성 이온들에 의한 캐리어 산란을 포함할 수 있을 것이다. 205 μV·K- 1 까지의 Seebeck 계수의 증가로 인해서, Ce- 및 Yb-도핑된 샘플들의 열전 역률이 36 μ·Wcm-1·K-2 에 도달하였으며, 이는 순수 TAGS-85에서 측정된 27 μ·Wcm-1·K-2 보다 더 크다. Seebeck 계수의 증가가 열 전도도의 증가를 극복하고, 결과적으로 700 K에서 순수 TAGS-85 에 대해서 관찰된 성능 지수에 대비하여 - 25% 만큼의 성능 지수의 총 증가를 초래한다.
중간-온도 나노-벌크 재료들
본원 발명의 일 실시예에서, TAGS 로서 지칭되는 중간-온도(100-300 ℃) 나노-벌크 재료들이 고온-프레싱 및 열처리되어 빌렛들(billets) 또는 다른 나노-벌크 복합체들을 형성할 수 있을 것이다. 그러한 재료들은, 본원 발명에 따라서, 벌크 또는 박막 타입 열전 장치들을 위해서 이용될 수 있을 것이다. 보다 구체적으로, 스피노달 분해(spinodal decomposition)로 알려진 프로세스를 통해서 초미세 석출물들(precipitates)의 형성을 유도하기 위해서 PbTe 합금들(또는 본원에서 기술된 기타 합금들)을 준비할 수 있을 것이다. GeTe, SnTe, 및 MnTe를 포함하여, 몇 가지 첨가제들은 PbTe로 용해될 수 없다. 응고 속도 및 열 처리와 같은 여러 가지 프로세싱 방법들과 조합된, 이러한 첨가제들의 시스템적인 프로세싱을 통해서, 열적으로 안정된 제 2 상 개재물들을 균일하게 포함하는 나노조직의 PbTe 합금들이 예상된다. 다른 재료들이, 본원 발명에 따라서, 벌크 또는 박막 타입 열전기 장치들을 위해서 이용될 수 있을 것이다.
본원 발명의 양태들
본원 발명의 하나의 양태에서, 반도체 재료를 포함하는 제 1 성분; 및 제 1 성분에 포함된 희토류 재료를 포함하는 제 2 성분을 포함하는 열전 재료가 제공된다. 반도체 재료 내에 희토류 재료를 포함시키는 것은, 반도체 재료의 성능 지수에 대비하여, 반도체 재료와 희토류 재료로 이루어진 복합체의 성능 지수를 상승시킨다.
본원 발명의 이러한 양태에서, 반도체 재료는 희토류 재료를 포함하는 GeTe-기반의 합금이 될 수 있다. 희토류 재료는 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 또는 이들의 합금이나 조합을 포함할 수 있다. 희토류 재료는 0.1% 내지 25%의 농도를 가질 수 있다. GeTe 합금은 Ag 및 Sb 중 적어도 하나 및, 보다 구체적으로, (GeTe)y{AgSbTe2)1-y 및 Ag6 .52Sb6 .52Ge36 .96Te49 .00Ce1 .00 또는 Ag6.52Sb6.52Ge36.96Te49.00Yb1.00 을 포함할 수 있다.
본원 발명의 이러한 양태에 따라서, 반도체 재료는 희토류 재료를 포함하는 PbTe-기반의 합금일 수 있다. 희토류 재료는 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 또는 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 희토류 재료는 0.1% 내지 25%의 농도를 가질 수 있다. PbTe 합금은 Ag 및 Sb 중 적어도 하나, 및 보다 구체적으로, (PbTe)y{AgSbTe2)1-y 및 Ag6 .52Sb6 .52Pb36 .96Te49 .00Ce1 .00 또는 Ag6 .52Sb6 .52Pb36 .96Te49 .00Gd1 .00 을 포함할 수 있다.
본원 발명의 일 양태에서, p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료를 가지는 열전 변환기가 제공된다. p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나는 p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나 내의 희토류 재료를 포함한다.
본원 발명의 이러한 양태에서, 희토류 재료는 p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나 내에서 전기 캐리어들을 산란시킬 수 있다. p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료가 GeTe 합금, PbTe 합금, 또는 이들의 조합일 수 있다.
본원 발명의 이러한 양태에서, p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료가 300 K 내지 1300 K의 온도 범위 또는 100 K 내지 300 K의 온도 범위 내에서 열전체(thermoelectrics)로서 작동할 수 있다.
본원 발명의 이러한 양태에서, p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나 내의 희토류 재료 및 나노조직의 원소들은, p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 내에서의 광자 산란에 의해서, p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나의 격자 열 전도도를 감소시킬 수 있다. 격자 열 전도도를 감소시키기 위한 열전 재료 내의 나노조직의 원소들 및 그 효과에 관한 설명에 대해서는, 예를 들어, Venkatasubramanian 등의, Nature, Vol. 413, 페이지 597-602, 2001(그 전체 내용이 본원에서 참조에 의해 포함된다)를 참조할 수 있을 것이다.
본원 발명의 이러한 양태에서, 희토류 재료는 p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 중 하나 이상의 내에서 전기 캐리어들의 산란을 생성할 수 있고 그리고 양자 구속(confinement)에 의한 캐리어들에 대한 상태들의 밀도를 높일 수 있다. 양자 구속에 의해서 캐리어들의 상태들의 밀도를 높이기 위한 열전 재료들 내에서의 전기 캐리어들의 산란 및 그 효과에 대해서는, 예를 들어, Hicks 등의, Phys. Rev. B 47, 페이지 12727-12731, 1993(그 전체 내용이 본원에서 참조에 의해 포함된다)을 참조할 수 있을 것이다.
본원 발명의 이러한 양태에서, p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료의 Seebeck 계수를 높이기 위해서 p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 내에 캐리어들을 위한 공진 상태들을 제공하기 위해서, 희토류 재료는 p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나 내에서 전기 캐리어들의 산란을 생성할 수 있다. Seebeck 계수를 높이기 위한 열전 재료들 내의 캐리어들에 대한 공진 상태들 및 그 효과에 대해서는, 예를 들어, Heremans 등의, Science, Vol. 321, 페이지 554-557, 2008(그 전체 내용이 본원에서 참조에 의해 포함된다)를 참조할 수 있을 것이다.
본원 발명의 이러한 양태에서, p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나 내의 희토류 재료 및 나노조직의 원소들이 p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 내의 격자 열 전도도, 양자 구속, 및 공진 상태들 중 적어도 하나를 감소시킬 수 있다.
본원 발명의 하나의 양태에서, 반도체 재료에서의 ZT 성능 지수를 개선하기 위한 방법이 제공된다. 그러한 방법은 반도체 재료 내에 희토류 재료를 제공하고, 그러한 희토류 재료는 반도체 재료 내에서 전기적 캐리어들을 자기적으로 산란시킨다. 본원 발명의 이러한 양태에서, 자기 재료는 Ce, Yb, Gd 또는 이들의 합금 중 적어도 하나일 수 있다.
본원 발명의 수 많은 변경들 및 변형들이 상기 교시 내용에 비추어 가능할 수 있을 것이다. 그에 따라, 첨부된 청구항들의 범위 내에서, 본원 발명이 본원에서 구체적으로 개시된 것과 달리 실행될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (29)

  1. 열전 재료(thermoelectric material)에 있어서,
    반도체 재료를 포함하는 제 1 성분; 및
    상기 제 1 성분에 포함된 희토류 재료를 포함하는 제 2 성분을 포함하고,
    그리하여 반도체 재료와 희토류 재료로 이루어진 복합체의 성능 지수(figure of merit)를 반도체 재료의 성능 지수에 대비하여 증가시키는 것인 열전 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 재료는 GeTe 합금을 포함하고, 상기 GeTe 합금은 희토류 재료를 포함하는 것인 열전 재료.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 희토류 재료는 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 또는 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는 것인 열전 재료.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 희토류 재료는 0.1% 내지 25%의 농도를 포함하는 것인 열전 재료.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 GeTe 합금은 Ag 및 Sb 중 적어도 하나를 포함하는 것인 열전 재료.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 GeTe 합금은 (GeTe)y{AgSbTe2)1- y 를 포함하는 것인 열전 재료.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 GeTe 합금은 Ag6 .52Sb6 .52Ge36 .96Te49 .00Ce1 . 00 를 포함하는 것인 열전 재료.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 GeTe 합금은 Ag6 .52Sb6 .52Ge36 .96Te49 .00Yb1 .00 을 포함하는 것인 열전 재료.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 GeTe 합금은 Ag6 .52Sb6 .52Ge36 .96Te49 .00Gd1 .00 을 포함하는 것인 열전 재료.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 재료는 PbTe 합금을 포함하고, 상기 PbTe 합금은 희토류 재료를 포함하는 것인 열전 재료.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 희토류 도펀트는 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 또는 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함하는 것인 열전 재료.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 희토류 재료는 0.1% 내지 25%의 농도를 포함하는 것인 열전 재료.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 PbTe 합금은 Ag 및 Sb 중 적어도 하나를 포함하는 것인 열전 재료.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 PbTe 합금은 (PbTe)y{AgSbTe2)1- y 를 포함하는 것인 열전 재료.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 PbTe 합금은 Ag6 .52Sb6 .52Pb36 .96Te49 .00Ce1 . 00 를 포함하는 것인 열전 재료.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 PbTe 합금은 Ag6 .52Sb6 .52Pb36 .96Te49 .00Yb1 .00 을 포함하는 것인 열전 재료.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 PbTe 합금은 Ag6 .52Sb6 .52Pb36 .96Te49 .00Gd1 .00 을 포함하는 것인 열전 재료.
  18. 열전 변환기에 있어서,
    p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료를 포함하고,
    상기 p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나는 상기 p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나 내에 희토류 재료를 포함하는 것인 열전 변환기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 희토류 재료는 p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나 내의 전기 캐리어를 산란시키는 것인 열전 변환기.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나는 GeTe 합금을 포함하는 것인 열전 변환기.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나는 PbTe 합금을 포함하는 것인 열전 변환기.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료는 300 K 내지 1300 K의 온도 범위에서 열전체(thermoelectrics)로서 작동하는 것인 열전 변환기.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 p-타입 열전 재료 및 n-타입 열전 재료는 100 K 내지 300 K의 온도 범위에서 열전체로서 작동하는 것인 열전 변환기.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 p-타입 열전 재료 또는 상기 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나 내의 희토류 재료 및 나노조직의 원소는, p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 내에서의 광자 산란에 의해서, p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나의 격자 열 전도도를 감소시키는 것인 열전 변환기.
  25. 제 18 항에 있어서,
    상기 희토류 재료는 상기 p-타입 열전 재료 또는 상기 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나 내의 전기 캐리어의 산란을 생성하고 양자 구속(quantum confinement)에 의해서 캐리어에 대한 상태의 밀도를 높이는 것인 열전 변환기.
  26. 제 18 항에 있어서,
    상기 p-타입 열전 재료 또는 상기 n-타입 열전 재료의 Seebeck 계수를 높이도록 상기 p-타입 열전 재료 또는 상기 n-타입 열전 재료 내에서 캐리어에 대한 공진 상태를 제공하기 위해, 상기 희토류 재료는 p-타입 열전 재료 또는 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나 내에서 전기 캐리어의 산란을 생성하는 것인 열전 변환기.
  27. 제 18 항에 있어서,
    상기 p-타입 열전 재료 또는 상기 n-타입 열전 재료 중 적어도 하나 내의 희토류 재료 및 나노조직의 원소는 상기 p-타입 열전 재료 또는 상기 n-타입 열전 재료 내의 격자 열 전도도, 양자 구속, 및 공진 상태 중 적어도 하나를 감소시키는 것인 열전 변환기.
  28. 반도체 재료에서 ZT 성능 지수를 개선하기 위한 방법에 있어서,
    반도체 재료 내에서 전기적 캐리어를 산란시키는 희토류 재료를 반도체 재료 내에 제공하는 단계를 포함하는, 반도체 재료에서 ZT 성능 지수를 개선하기 위한 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 제공하는 단계는, 상기 희토류 재료로서 La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, 또는 이들의 합금 중 적어도 하나를 제공하는 단계를 포함하는 것인, 반도체 재료에서 ZT 성능 지수를 개선하기 위한 방법.
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