Caracterización de Skutterudites como material termoeléctrico desarrollado con nanotecnología.

Abstract

In this research work it has been implemented with the semiconductor characterization, base basically in the thermoelectric structure develop with Skutterudite nanostructures, under different manufacturing process, specially compounds from the type Co-Ni-Sb, by developing and study of its intrinsic characteristics related to thermoelectric properties as the figure of merit, by the use of special design tooling for such purpose, doing analogies of their behavior with classic materials. It is also shown the specific instrumentation. In chapter 1 it is shown the general actual stage of the semiconductor materials use in Thermoelectric and related measurement systems.<br/><br/>The chapter 2 has been focus for the introduction of different model series of monomodule and the basic structure of the thermoelectric system with the mainly objective to know the behavior of the pellets and different simulation versions. The continues model base its development in the use of the average parameters taken from different concepts as temperature functions and the semiconductor material. With the utilization of models base in finite elements the software was simplify as a support, as it is much more easier to include parameters in each of the elements that the material is divide.<br/><br/>In chapter 3 it has been develop the study of some thermoelectric compounds base in BiTe. It has been develop the characterization of a compound base in (Bi2Te3)1-xy( Sb2Te3)x(Sb2Se3)y that pretends exploit the BiTe characteristics at room temperatures about 300K. Previously it has been develop some theoretical concepts that will explain the different techniques in the development of the thermoelectric materials as the design in 2D quantum well that has multiple advantages regarding the Figure of Merit goals higher than with bulk materials. To finish in chapter 3, it was study a mono-module base in the study materials.<br/><br/>In chapter 4 the material Skutterudite has been develop as an experimental base that conform part of this thesis. The Skutterudite system possess basic conditions to obtain a high Figure of Merit Z. The Skutterudite are forming covalent structures with low coordination index between atoms in the big vacuum interact that exist. New compounds can be form from new atoms added in vacuum interact, which implements in the optimization of the thermoelectric characteristics. It has been study Skutterudite solutions base in compounds from type CoSb3-xAsx for temperature ranges up to 700K.<br/><br/>In the chapter 5 it was develop few experiments related to the Skutterudite material, prepare with nanotechnology. Is the core of this thesis and has been divide in tree basic experiments. Study of the material Co-Sb with nano-structure. Study of the material Co-Sb were the Co is replace by Ni to study its thermoelectric characteristics and the study of the mono-module constructed with the study materials. It was also study a thermoelectric mono-module according to the thermoelectric study materials. As a main target we have use the type of material CoSb3 (M1), which acts as n material and Zn4Sb3 that works as p material.<br/><br/>The obtained results could be the base for the study of the materials also base in CoSb3, but replacing its structure for new elements. The Nb (Niobio), is an element that was study and works as a dope agent type p replacing the Co atoms. The electrical conductivity could be increase in the final compound but some research lines will confirm its well use. Another research task that could lid from this thesis study is the use of thermoelectric structures (thermoelectric devices) base in the material being study.<br/>The microprobe tool, has been develop in special way to use as a research tool for the thesis expose. Is a very useful tool that has been use to measure the Seebeck coefficient in the materials, and the electrical conductivity. The microprobe is basically form by heated test point that is positioned over a sample device. The end of the pointer is connected to a thermocouple normally type T, Cu-CuNi ; that measures the temperature call T1. The sample is always place over a good electrical and thermal contact, which is also connected to a thermocouple to measure the temperature T0. By the combination the wires Cu-Cu and CuNi-CuNi, from the thermocouples it is possible to obtain the voltage that will be name U0 and U1 that are well process to obtain the Seebeck coefficient.

En este trabajo de investigación se ha implementado la caracterización del semiconductor en la que se basa la estructura termoeléctrica desarrollada con Skutterudites nanoestructuradas bajo diferentes procesos de fabricación, en concreto compuestos del tipo Co-Ni-Sb, realizando un estudio de sus características intrínsecas relacionadas con las propiedades termoeléctricas como es la figura de mérito mediante herramientas diseñadas para ese propósito haciendo analogías con el comportamiento de materiales clásicos. También se muestra el desarrollo de instrumental específico.<br/><br/>El capítulo 2 se ha dedicado a la presentación de una serie de modelos del monomódulo y de la estructura básica del sistema termoeléctrico con el objetivo de conocer el comportamiento del pellet ante diferentes visiones de simulación. El modelo continuo basa su desarrollo en la utilización de los parámetros medios tomados desde diferentes concepciones en función de la temperatura y sobre todo el material semiconductor. Con la utilización de modelos basados en elementos finitos se simplifica la realización de software de soporte ya que es relativamente más fácil introducir parámetros en cada uno de los elementos en que se divide el material.<br/><br/>En el capítulo 3 se ha desarrollado el estudio de algunos compuestos termoeléctricos basados en el BiTe. Se ha realizado la caracterización de un compuesto basado en (Bi2Te3)1-x-y(Sb2Te3)x(Sb2Se3)y que intenta explotar las características del BiTe a temperaturas ambientales (sobre 300K). Previamente se ha desarrollado una serie de conceptos teóricos que explican diferentes técnicas en el desarrollo de materiales termoeléctricos como el diseño en 2D quantum well que conlleva multitud de ventajas en cuanto se consiguen figuras de mérito superiores que en bulk. Por último, en el capítulo 3 se ha estudiado un monomódulo en base a los materiales estudiados.<br/><br/>En el capítulo 4 se ha desarrollado el material Skutterudite como base en la experimentación que forma la parte esencial de esta tesis. El sistema Skutterudite posee las condiciones básicas para obtener una figura de mérito Z alta. Las Skutterudites forman estructuras covalentes con bajo índice de coordinación entre los átomos que la constituye lo que contribuye a la posible incorporación de nuevos átomos en el gran vacío intersticial que existe. Nuevos compuestos se pueden formar a partir de nuevos átomos incorporados en el vacío intersticial lo que contribuye en la optimización de las características termoeléctricas. Se han estudiado soluciones de Skutterudites basadas en compuestos del tipo CoSb3-xAsx para temperaturas hasta 700K.<br/><br/>En el capítulo 5 se han desarrollado varios experimentos en relación con material Skutterudite preparado mediante nanotecnología. Constituye el núcleo de esta tesis y se divide en tres experimentos básicos: -Estudio del material Co-Sb con nanoestructura. - Estudio del material Co-Sb nanoestructurado en donde parte del Co se sustituye por Ni para estudiar sus características termoeléctricas. -Estudio de un monomódulo constituido en base a los materiales estudiados. En concreto el material tipo CoSb3 (M1) que actúa de material tipo n y el Zn4Sb3 que actúa como el material de tipo p.<br/>Los resultados que se han obtenido pueden ser la base para el estudio de materiales también basados en el CoSb3 , pero con la sustitución de su estructura por nuevos elementos. El Nb (Niobio), es un elemento investigado y actúa como dopante de tipo p sustituyendo a átomos de Co. La conductividad eléctrica es factible de ser incrementada en el compuesto final, aunque futuras líneas de investigación confirmarán su utilidad. Otra línea de investigación que se podría derivar a partir del estudio realizado en esta tesis es la realización de estructuras termoeléctricas (células termoeléctricas) basadas en el material estudiado.<br/><br/>La herramienta microprobe se ha desarrollado de forma especial para la realización de la investigación expuesta en esta tesis. Es una herramienta que ha servido para medir de forma espacial el coeficiente de Seebeck y la conductividad eléctrica esencialmente. Microprobe consiste básicamente en una punta de prueba calentada que es posicionada sobre la superficie de una muestra. La punta es conectada a un termopar (normalmente de tipo T, Cu-CuNi) que mide la temperatura que se llamará T1. La muestra siempre se pone sobre un buen contacto eléctrico y térmico que también se conecta a un termopar midiéndose la temperatura T0. Combinando los cables (Cu-Cu) y (CuNi-CuNi) de los termopares es posible obtener las tensiones que se llamarán U0 y U1 que son procesadas adecuadamente para obtener el coeficiente de Seebeck.