通过改变 Ni 含量优化空穴和声子输运，在 FeNiSi2 化合物中实现室温 ZT 值为 0.24

《Inorganic Chemistry Communications》：Optimization of hole and phonon transport to achieve a room temperature ZT of 0.24 in FeNiSi 2 compound by varying Ni contents

　　

摘要

镍铁硅化物 (NiFeSi?) 化合物被合成并进行了系统研究，通过控制镍浓度来增强其热电性能。NiFeSi? 多晶样品通过固态反应法制备，随后使用 XRD、SEM、拉曼光谱和电输运测量对其结构、形貌和热电特性进行了表征。XRD 分析证实，在所有镍浓度水平（1%–30% Ni）下，FeSi? 晶体结构均得以保留，这通过拉曼光谱测量进一步得到验证。扫描电子显微镜 (SEM) 显示，从 FeSi? 中致密、均匀的晶粒转变为 30% 镍水平下的纳米结构、花状形貌，伴随着晶界凹槽和空隙的形成。热电测量显示塞贝克系数和电导率之间存在明显的权衡：虽然塞贝克系数从 620 降至 150 μV/K，电导率得到显著提高，在最高镍浓度下达到 1050 S/cm。最佳功率因子（～1.5 × 10^?2 W/m·K²）在 10% 镍时实现，超过此值后进一步添加镍%会导致热电功率下降。发现热导率随镍含量略有增加，从 17 增加到 20 W/m.K，但这种增强并不显著，不足以降低 ZT。因此，对于含有 10% 镍原子的 NiFeSi? 样品，获得了良好的室温 ZT 值。

引言

热电材料通过塞贝克效应直接将热能转化为电能，反之亦然，在可再生能源技术中具有潜在应用，如发电、制冷和废热回收 [1]。设计合适的热电材料对于实现高性能至关重要。影响热电材料性能的主要因素是无量纲优值，它与电导率和热导率相互关联 [2]。但由于两种导率之间的相互依赖，导致热电技术商业化面临根本障碍 [3]。因此，为了提高热电转换效率，增强功率因子和降低热能具有根本重要性的创新技术。解决此问题的一种可能方法是使用声子玻璃电子晶体材料，在这种材料中，材料对声子传输表现为玻璃，而对电子传输表现为晶体 [4]。该技术可以同时提高电导率并降低热导率。除了 PGEC 方法外，还有其他几种方法，包括纳米结构化、合金化和新类材料的发明，也正引起研究界的兴趣。最近的研究 efforts 集中在提高各种纳米材料的转换效率，包括 BiN 薄膜、三元过渡金属氮化物卤化物结构、GeTe、SiGe 合金和 BiTe 材料 [5], [6], [7], [8]。在各种报道的材料中，Bi₂Te₃ 被认为是最优异的，室温 ZT 为 0.7，对应的效率为 7%，与其他可再生能源相比低得多 [9]。因此，对新类材料的需求仍然迫切。

NiFeSi?，即镍铁硅化物，是一种有前景的半导体材料，结合了硅、铁和镍的有益特性。该化合物由于其约 0.3 eV 的低带隙，在热电应用方面显示出巨大的前景，特别是在将废热转化为有用的电能方面 [10]。据报道，在 FeSi? 宿主晶体中引入镍原子可以显著提高其电导率和热电性能，使其成为热电冷却器和发电机的可行选择。增强合成和加工方法也可以提高 NiFeSi? 的热电性能和效率 [11], [12]。固态反应技术是材料体生长最简单的方法。它是合金化和化合物形成非常方便的方式，因此我们使用了这种简单且具有成本效益的技术来合成本研究中使用的样品。

在本文中，FeSi₂ 结构中的镍原子浓度变化范围为 1 到 30%，以调节声子和空穴传输。观察到增加镍原子的浓度可能会产生额外的空穴，从而导致电导率的增强和塞贝克系数的降低。对于镍含量为 10% 的样品获得了优化的功率因子。声子传输受添加镍原子的影响不大，因此，我们能够实现同样含有 10% 镍原子掺杂的样品的室温 ZT 为 0.24。

章节片段

方法论

NiFeSi? 样品使用固态反应法制备。使用从 Sigma-Aldridge 科学商店购买的高纯度金属粉末 Si (99.9%)、Fe (99.9%) 和 Ni (99.9%)，形成了镍分数从 0% 到 30% 变化的 NiFeSi? 化合物。使用高精度电子分析天平，根据它们的摩尔质量和化学计量比 (Ni?Fe???Si?) 精确称量粉末。然后，使用研钵将粉末均匀研磨，并

结果与讨论

图 1 表明，XRD 数据包含三个明显的衍射峰，分别位于大约 28°、47° 和 56.5° (2θ) 角，对应于 FeSi? 晶体结构的 (111)、(220) 和 (311) 晶面 [13], [14]。这些峰在所有样品中一致出现，从原始生长的 FeSi? 到那些在 1%、10%、20% 和 30% 浓度下引入镍的样品。这表明镍浓度保留了 FeSi? 的主要晶体结构。峰的位置基本上

结论

通过改变镍原子浓度，FeNiSi? 化合物获得了非常好的室温 ZT 值。以 10% 的百分比浓度引入镍原子导致 ZT 值为 0.24。趋势表明，镍作为一种化合物能很好地调节基于 FeSi? 材料的电气特性。观察到的数据显示，电导率随镍%浓度的增加而增加，而塞贝克系数导致显著下降。但两者的优化

CRediT 作者贡献声明

K. Mahmood: 概念化。

竞争利益声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

Qurat Ul Ain Zahra 她是巴基斯坦费萨拉巴德国立大学物理系的 M.Phil 学生。她的研究兴趣包括用于热电能量应用的纳米材料合成

Qurat Ul Ain Zahra|A. Ali|Salma Ikram|M. Shujaat Hussain|M. Yasir Ali|M. Sharafat Hussain|K. Mahmood|Inaam Ullah|Jolly Jacob

巴基斯坦费萨拉巴德国立大学物理系