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Sn, Sb based Skutterudites
Werner Paschinger
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Betreuer*in
Alexander Bismarck
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29199.30587.352365-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Mit Hilfe von Lichtbogen-Ofen Synthese und anschließender Glühbehandlung in evakuuierten Quarzampullen bei 250°C, 350°C und 450°C für mindestens 30 Tage, konnten neue gefüllte Vertreter der Skutterudit Struktur mit der chemischen Formel EpyNi4Sb12-xSnx (Ep = Ba oder La) hergestellt werden. Dabei konnte ein maximaler Füllungsgrad von y = 0.93 und y = 0.65 für Ba bzw. La erreicht werden. Für die Skutterudit Phasen im ternären System Ni-Sn-Sb sowie im quarternären System Ba-Ni-Sn-Sb wurden neben grundlegenden Strukturuntersuchungen auch die jeweiligen Homogenitätsbereiche und Solidus Temperaturen ermittelt. Die Kombination von Mikrosonden Messungen (EPMA) und Röntgen Pulverdiffractometrie ermöglichte die Aufstellung der Phasengleichgewichte im System Ni-Sn-Sb bei 450°C. Physikalische Materialeigenschaften, so wie z.B. der Temperatur abhängige spezifische Widerstand, der Seebeck-Koeffizient oder die thermische Leitfähigkeit, wurden an einphasigen Proben der Zusammensetzung Ni4Sb8.2Sn3.8, Ba0.42Ni4Sb8.2Sn3.8 und Ba0.92Ni4Sb6.7Sn5.3 bestimmt. Dabei zeigt sich im spezifischen Widerstand ein Übergang von metallischem Verhalten zu dem eines Halbleiters. Dieser Umstand kann durch das Model einer temperaturabhängigen Ladungsträger Konzentration beschrieben werden, dem eine rechteckige Zustandsdichte mit dem Ferimlevel etwas überhalb einer schmalen Bandlücke zugrunde gelegt wurde. Die entsprechende Energiedifferenz dieser Bandlücke ist aus dem Maximum des Temperatur abhängigen Seebeck-Koeffizienten experimentel zugänglich. Um Zugang zu Größen wie die des thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sowie Einstein und Debye Temperatur zu gewinnen, wurden Röntgen Einkristalluntersuchungen an ausgewählten Einkristallen der Zusammensetzung Ba0.73Ni4Sb8.1Sn3.9 und Ba0.95Ni4Sb6.1Sn5.9 durchgeführt. Die resultierenden Werte zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Debye Temperaturen, die sich aus Messungen der spezifischen Wärmekapazität ergaben (4.4 K < T < 200 K). Weiters wurden diverse mechanische Materialeigenschaften bestimmt. Die Elastizitätsmodule die durch Messungen mittels Resonant Ultrasound Spectroscopy (RUS) zugänglich sind, reichen von 100 GPa im Fall von Ni4Sb8.2Sn3.8 bis zu 116 GPa für Ba0.92Ni4Sb6.7Sn5.3. Die Koeffizienten der thermischen Ausdehnung (ermittelt mit kapazitiver Dilatometrie sowie DMA) liegen in der Größenordnung von 11.8×10-6 K-1 für Ni4Sb8.2Sn3.8 bis 13.8×10-6 K-1 für Ba0.92Ni4Sb6.7Sn5.3. Die bei Raumtemperatur (bis zu einer Prüfkraft von 24.5 mN) gemessenen Vicker’s Härten variieren in einem Bereich von 2.6 GPa bis zu 4.7 GPa. Um eine Nanostrukturierung des Materials zu erreichen wurde es einer starken plastischen Verformung (Severe Plastic Deformation - SPD) mittels einer Scherung unter hohem Druck (High Pressure Torsion - HPT) unterzogen. Eine Vergleich der physikalischen Eigenschaften vor und nach HPT ergibt keinerlei signifikante Veränderungen im thermoelektrischen Verhalten des Materials.
Abstract
(Englisch)
Novel filled skutterudites EpyNi4Sb12-xSnx (Ep = Ba and La) have been prepared by arc melting followed by annealing at 250°C, 350°C and 450°C up to 30 days in sealed quartz vials. A maximum filling level of y = 0.93 and y = 0.65 was achieved for the Ba and La filled skutterudite, respectively. Extension of the homogeneity region, solidus temperatures and structural investigations were performed for the skutterudite phase in the ternary Ni-Sn-Sb and in the quaternary Ba-Ni-Sb-Sn system. Phase equilibria in the Ni-Sn-Sb system at 450°C were established by means of Electron Probe Microanalysis (EPMA) and X-ray Powder Diffraction (XPD). Single-phase samples with the composition Ni4Sb8.2Sn3.8, Ba0.42Ni4Sb8.2Sn3.8 and Ba0.92Ni4Sb6.7Sn5.3 were employed for measurements of the physical properties i.e. temperature dependent electrical resistivity, Seebeck coefficient and thermal conductivity. Resistivity data demonstrate a crossover from metallic to semiconducting behaviour, which is discussed in terms of a temperature-dependent carrier concentration employing a simple model for a rectangular density of states with the Fermi energy slightly below a narrow gap. The corresponding gap width was extracted from maxima in the Seebeck coefficient data as a function of temperature. Temperature dependent single crystal X-ray structure analyses (at 100 K, 200 K and 300 K) revealed the thermal expansion coefficients, Einstein and Debye temperatures for two selected samples Ba0.73Ni4Sb8.1Sn3.9 and Ba0.95Ni4Sb6.1Sn5.9. These data compare well with Debye temperatures from measurements of specific heat (4.4 K < T < 140 K). Several mechanical properties were measured and evaluated. Elastic moduli, collected from Resonant Ultrasonic Spectroscopy (RUS) measurements, range from 100 GPa for Ni4Sb8.2Sn3.8 to 116 GPa for Ba0.92Ni4Sb6.7Sn5.3. Thermal expansion coefficients (capacitance dilatometry and DMA) are 11.8×10-6 K-1 for Ni4Sb8.2Sn3.8 to 13.8×10-6 K-1 for Ba0.92Ni4Sb6.7Sn5.3. Room temperature Vicker’s hardness values (up to a load of 24.5 mN) vary within the range of 2.6 GPa to 4.7 GPa. Severe plastic deformation (SPD) via high-pressure torsion (HPT) was used to introduce nanostructuring. Physical properties before and after HPT were compared, showing no significant effect on the material’s thermoelectric behaviour.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Skutterudites Physical properties Mechanical properties Nanomaterials Sever plastic deformation (SPD) via High-pressure torrsion
Schlagwörter
(Deutsch)
Skutterudites Physikalische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Nanomaterialien Sever plastic deformation (SPD) via High-pressure torrsion
Autor*innen
Werner Paschinger
Haupttitel (Englisch)
Sn, Sb based Skutterudites
Paralleltitel (Deutsch)
Sn, Sb basierte Skutterudite
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
72 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Peter Franz Rogl
Klassifikationen
33 Physik > 33.61 Festkörperphysik ,
33 Physik > 33.62 Mechanische Eigenschaften, akustische Eigenschaften, thermische Eigenschaften ,
33 Physik > 33.79 Kondensierte Materie: Sonstiges ,
35 Chemie > 35.10 Physikalische Chemie: Allgemeines ,
35 Chemie > 35.12 Chemische Thermodynamik, Phasenlehre ,
35 Chemie > 35.44 Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und ihre Verbindungen ,
35 Chemie > 35.45 Übergangselemente und ihre Verbindungen ,
35 Chemie > 35.90 Festkörperchemie ,
51 Werkstoffkunde > 51.10 Metallphysik ,
51 Werkstoffkunde > 51.30 Werkstoffprüfung, Werkstoffuntersuchung ,
51 Werkstoffkunde > 51.40 Werkstoffe für bestimmte Anwendungsgebiete ,
51 Werkstoffkunde > 51.45 Werkstoffe mit besonderen Eigenschaften ,
51 Werkstoffkunde > 51.54 Nichteisenmetalle und ihre Legierungen
AC Nummer
AC11439033
Utheses ID
28351
Studienkennzahl
UA | 066 | 862 | |