Structure of a Spark Plasma Sintering Synthesized (Bi,Sb)2Te3 Based Bulk Thermoelectric Material

Bulk nanostructured BixSb1−xTe3 based material was fabricated with spark plasma sintering (SPS) method. The starting powders with a particle size of 10—12 nm were prepared by ball milling. The regularity of fine structure changes as a function of sintering temperature in the 250—550 °C range was investigated by X−ray
diffractometry, scanning and transmission electron microscopy (TEM, HRTEM). For the first time coherent dispersion areas (CDA) size was found not to increase monotonously with sintering temperature, and at temperatures of above 400 °C the CDA size decreased as a result of repeated recrystallization. Apparently,
the structural changes are associated with a redistribution of intrinsic vacancy type structural defects during sintering.

1. Poudel, B. High−thermoelectric performance of nanostructured bismuth antimony telluride bulk alloys / B. Poudel, Q. Hao, Y. Ma, X. Y. Lan, A. Minnich, B. Yu, X. Yan, D. Z. Wang, A. Muto, D. Vashaee, X. Y. Chen, J. M. Liu, M. S. Dresselhaus, G. Chen, Z. F. Ren // Science. − 2008. − V. 320, N 5876. − P. 634—638.

2. Fan, S. J. Р−type Bi0,4Sb1,6Te3 nanocomposites with enhanced figure of merit / S. J. Fan, J. Zhao, J. Guo, Q. Yan, J. Ma, H. Hоng // Appl. Phys. − 2010. − V. 96, N 182104. − P. 456—459.

3. Minnich, A. J. Bulk nanostructured thermoelectric materials: current research and future prospects/ A. J. Minnich, M. S. Dresselhaus, Z. F. Ren, G. Chen // Energy Environ. Sci. − 2009. − V. 2. − P. 466—479.

4. Lan, Y. Enhancement of thermoelectric figure−of−merit by a bulk nanostructuring approach / Y. Lan, A. J. Minnich, G. Chen, Z. Ren // Adv. Funct. Mater. − 2010. − V. 20, N 3. − P. 357—376.

5. Liu, W. Recent advances in thermoelectric nanocomposities / W. Liu, X. Yan, G. Chen, Z. Ren // Nano Energy. − 2012. − N 1. − Р. 42—56.

6. Zebarjadi, M. Perspectives on thermoelectrics: from fundamentals to device applications / M. Zebarjadi, K. Esfarjani, M. S. Dresselhaus, Z. F. Ren, G. Chen // Energy Environ. Sci. − 2012. − V. 5. − P. 5147—5162.

7. Horio, Y. Materials transaction / Y. Horio, H. Yamashita, T. Hayashi // Ibid. − 2004. − V. 45, N 8. − Р. 2757—2760.

8. Xie, W. Identifying the specific nanostructures responsible for the high thermoelectric performance of (Bi,Sb)2Te3 nanocomposites / W. Xie, Q. Zhang, T. M. Tritt, H. J. Kang, S. Zhu, C. M. Brown, Q. Zhangt // Nano Lett. − 2010. − V. 10. − P. 3283—3289.

9. Ma, Y. Enhanced thermoelectric figure−of−merit in p−type nanostructured bismuth antimony tellurium alloys made from elemental chunks / Y. Ma, Q. Hao, B. Poudel, G. Chen, Y. Lan, B. Yu, Z. Ren // Ibid. − 2008. − V. 8, N 8. − P. 2580—2584.

10. Bulat, L. P. On the effective kinetic coefficients of thermoelectric nanocomposites / L. P. Bulat, V. B. Osvensky, G. I. Pivovarov, A. A. Snarskii, E. V. Tatyanin // Proc. 6th Europ. Conf. on Thermoelectrics. − Paris (France), 2008. − P. 12−1—12−6.

11. Булат, Л. П. О термоэлектрических свойствах объемных наноструктур / Л. П. Булат, И. А. Драбкин, В. Б. Освенский, Г. И. Пивоваров, А. А. Снарский, Е. В. Татьянин // XI Межгосударств. семинар «Термоэлектрики и их применения». − СПб : ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, 2008. − С. 39—43.

12. Булат, Л. П. О термоэлектрических свойствах материалов с нанокристаллической структурой / Л. П. Булат, И. А. Драбкин, В. Б. Освенский, Г. И. Пивоваров // Термоэлектричество. − 2008. − № 4. − С. 27—33.

13. Булат, Л. П. Объемные наноструктурные термоэлектрики на основе теллурида висмута / Л. П. Булат, В. Т. Бублик, И. А. Драбкин, В. В.Каратаев, В. Б. Освенский, Г. И. Пивоваров, Н. Ю. Табачкова // Термоэлектричество. − 2009. − № 3. − С. 70—75.

14. Булат, Л. П. Объемные наноструктурные термоэлектрики / Л. П. Булат, Г. И. Пивоваров, А. А. Снарский // X Межгосударств. семинар «Термоэлектрики и их применения». − СПб : ФТИ им. А.Ф. Иоф фе РАН, 2006. − С. 39—40.

15. Bulat, L. P. Bulk nanostructured polycrystalline pBi—Sb—Te thermoelectrics obtained by mechanical activation method with hot pressing / L. P. Bulat, V. T. Bublik, I. A. Drabkin, V. V. Karataev, V. B. Osvenskii, Yu. N. Parkhomenko, G. I. Pivovarov, D. A. Pshenai−Severin, N. Yu. Tabachkova // J. Electronic Mater. − 2010. − V. 39, N 9. − Р. 1650—1653.

16. Булат, Л. П. Энергетическая фильтрация носителей тока в наноструктурированном материале на основе теллурида висмута / Л. П Булат, И. А. Драбкин, В. В. Каратаев, В. Б. Освенский, Г. И. Пивоваров, Ю. Н. Пархоменко, Д. А. Пшенай−Северин, Н. Ю. Табачкова // ФТТ. − 2011. − T. 53, № 1. − С. 29—34.

17. Bulat, L. P. Bulk nanocrystalline thermoelectrics based on Bi—Sb—Te solid solution / L. P. Bulat, D. A. Pshenai−Severin, V. V. Karatayev, V. B. Osvenskii, Yu. N. Parkhomenko, V. Lavrentev, A. Sorokin, V. D. Blank, G. I. Pivovarov, V. T. Bublik, N. Yu. Tabachkova // The delivery of nanoparticles. − Rijeka (Croatia) : INTECH., 2012. − Р. 453—486.

18. Бублик, В. Т. Сопоставление структуры термоэлектрического материала Bi0,5Sb1,6Te3, полученного методами горячего прессования и искрового плазменного спекания / В. Т. Бублик, Д. И. Богомолов, З. М. Дашевский, И. А. Драбкин, В. В. Каратаев, М. Г. Лаврентьев, Г. И. Пивоваров, В. Б. Освенский, А. И. Сорокин, Н. Ю. Табачкова // Изв. вузов. Материалы электрон. техники. − 2010. − № 2. − С. 61—65.

19. Keawprak, N. Effect of sintering temperature on the thermoelectric properties of pulse discharge sintered (Bi0,24Sb0,76)2Te3 alloy / N. Keawprak, Z. M. Suna, H. Hashimoto, M. W. Barsoumb // J. Alloys and Compounds. − 2005. − V. 397, N 2. − Р. 236—244.

20. Бублик, В. Т. О возможности сохранения наноструктурного состояния при получении объемного термоэлектрического материала на основе халькогенидов висмута и сурьмы / В. Т. Бублик, Л. П. Булат, В. В. Каратаев, И. И. Марончук, В. Б. Освенский,Г. И. Пивоваров, Д. А. Пшенай−Северин, Н. Ю. Табачкова // Изв. вузов. Физика. − 2010. − Т. 53, № 3/2. − С. 37—41.

21. Драбкин, И. А. Термоэлектрические свойства материала на основе (Bi,Sb)2Te3, полученного методом искрового плазменного спекания / И. А. Драбкин, В. В. Каратаев, В. Б. Освенский, Ю. Н. Пархоменко, А. И. Сорокин, Г. И. Пивоваров, В. Т. Бублик, Н. Ю. Табачкова, Л. П. Булат // Известия вузов. Материалы электрон. техники. − 2012. − № 3.

22. Lan, Y. Structure study of bulk nanograined thermoelectric bismuth antimony telluride / Y. Lan, B. Poudel, Y. Ma, M. S. Dresselhaus, G. Chen, Z. Ren // Nano Lett. − 2009. − V. 9, N 4. − P. 1419—1422.