liu.seSearch for publications in DiVA
Endre søk
RefereraExporteraLink to record
Permanent link

Direct link
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Annet format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annet språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Experimental and Theoretical Investigation of Cr1-xScxN Solid Solutions for Thermoelectric Applications
Linköpings universitet, Institutionen för fysik, kemi och biologi, Tunnfilmsfysik. Linköpings universitet, Tekniska högskolan.
Linköpings universitet, Institutionen för fysik, kemi och biologi, Tunnfilmsfysik. Linköpings universitet, Tekniska högskolan.
Linköpings universitet, Institutionen för fysik, kemi och biologi, Tunnfilmsfysik. Linköpings universitet, Tekniska högskolan.
Linköpings universitet, Institutionen för fysik, kemi och biologi, Tunnfilmsfysik. Linköpings universitet, Tekniska högskolan.
Vise andre og tillknytning
2016 (engelsk)Inngår i: Journal of Applied Physics, ISSN 0021-8979, E-ISSN 1089-7550, Vol. 120, nr 21, artikkel-id 215103Artikkel i tidsskrift (Fagfellevurdert) Published
Abstract [en]

We investigate the trends in mixing thermodynamics of Cr1-xScxN solid solutions in the cubic B1 structure and their electronic density of state by first-principle calculations, and thin-film synthesis of Cr1-xScxN solid solutions by reactive dc magnetron sputtering. Films with the composition Cr0.92Sc0.08N exhibit a thermoelectric power factor of about 8x10-4 Wm-1K-2at 770 K, similar to CrN. The results show that the disordered Cr1-xScxN solid solutions is thermodynamically stable in B1 solid solutions at T = 800°C rather than in the B1- L11 ordered solid solutions stable at 0 K. The calculated electronic density of state (DOS) indicates a positive bowing parameter for the electronic band gap of Cr1-xScxN solid solutions. The calculated DOS suggest possible improvement of power factor due to Sc 3d orbital delocalization on Cr 3d orbital gives decreasing electrical resistivity with retained Seebeck coefficient in Cr-rich regime, consistent with the experimentally observed high power factor for the solid solution.

sted, utgiver, år, opplag, sider
American Institute of Physics (AIP), 2016. Vol. 120, nr 21, artikkel-id 215103
Emneord [en]
Chromium nitride, Scandium nitride, Thermoelectrics, First-principles calculations, Solid solutions
HSV kategori
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:liu:diva-117757DOI: 10.1063/1.4968570ISI: 000390602600026OAI: oai:DiVA.org:liu-117757DiVA, id: diva2:810736
Merknad

Funding agencies: European Research Council under the European Communitys Seventh Framework Programme [335383]; Swedish Research Council (VR) [621-2012-4430, 621-2011-4417, 330-2014-6336]; Marie Sklodowska Curie Actions [INCA 60098]; Linnaeus Strong Research Environment Li

Tilgjengelig fra: 2015-05-08 Laget: 2015-05-08 Sist oppdatert: 2017-12-04bibliografisk kontrollert
Inngår i avhandling
1. Design of Transition-Metal Nitride Thin Films for Thermoelectrics
Åpne denne publikasjonen i ny fane eller vindu >>Design of Transition-Metal Nitride Thin Films for Thermoelectrics
2015 (engelsk)Doktoravhandling, med artikler (Annet vitenskapelig)
Abstract [en]

Thermoelectric devices are one of the promising energy harvesting technologies, because of their ability to convert heat (temperature gradient) to electricity by the Seebeck effect. Furthermore, thermoelectric devices can be used for cooling or heating by the inverse effect (Peltier effect). Since this conversion process is clean, with no emission of greenhouse gases during the process, this technology is attractive for recovering waste heat in automobiles or industries into usable electricity. However, the conversion efficiency of such devices is rather low due to fundamental materials limitations manifested through the thermoelectric figure of merit (ZT). Thus, there is high demand on finding materials with high ZT or strategies to improve ZT of materials.

In this thesis, I discuss the basics of thermoelectrics and how to improve ZT of materials, including present-day strategies. Based on these ideas, I propose a new class of materials for thermoelectric applications: transition-metal nitrides, mainly ScN, CrN and their solid solutions. Here, I employed both experimental and theoretical methods to synthesize and study their thermoelectric properties. My study envisages ways for improving the thermoelectric figure of merit of ScN and possible new materials for thermoelectric applications.

The results of my studies show that ScN is a promising thermoelectric material since it exhibits high thermoelectric power factor 2.5x10-3 Wm-1K-2 at 800 K, due to low metallic-like electrical resistivity while retained relatively large Seebeck coefficient. My studies on thermal conductivity of ScN also suggest a possibility to control thermal conductivity by tailoring the microstructure of ScN thin films. Furthermore, my theoretical studies on effects of impurities and stoichiometry on the electronic structure of ScN suggest the possibly to improve ScN ZT by stoichiometry tuning and doping. For CrN and Cr1-xScxN solid solution thin films, the results show that the power factor of CrN (8x10-4 Wm-1K-2 at 770 K) can be retained for the solid solution Cr0.92Sc0.08N. Finally, density functional theory was used to enable a systematic predictionbased strategy for optimizing ScN thermoelectric properties via phase stability of solid solutions. Sc1-xGdxN and Sc1-xLuxN are stabilized as disordered solid solutions, while in the Sc-Nb-N and Sc-Ta-N systems, the inherently layered ternary structures ScNbN2 and ScTaN2 are stable.

Abstract [sv]

Sedan den industriella revolutionen har fossila bränslen varit vår huvudkälla till energi i motorer för transport, elproduktion och uppvärmning av byggnader. Eftersom mänskligheten och vår teknik växer för varje år som går, fortsätter efterfrågan på fossila bränslen att öka. Med tanke på att fossila bränslen inte är förnybara, riskerar vi att de tar slut. Dessutom är resultatet av denna ständiga förbränning av fossila bränslen generering av växthusgaser, t.ex. kolmonoxid och koldioxid, som orsakar klimatförändringar, som ett ytterligare problem. Således finns det ett ökande behov av nya former av energikällor som kan ersätta fossila bränslen.

För närvarande finns det olika typer av tekniker för förnybar energi som solceller, vätgasteknik (bränsleceller), vindkraftverk, vattenkraft, etc. Ett annat koncept som har studerats är energiåtervinning, vilket innebär att fånga eller lagra spillenergi och förvandla det till användbar energi. Spillenergi är den energi, oftast värmeförluster, som förloras i generatorer, vibrationer från motorer, och så vidare. Ungefär 60% av den ursprungliga energin avges som spillvärme. Om vi kan återvinna all denna förlust till användbar energi igen, kan vi spara stora mängder bränslen utsläppen av koldioxid kommer att minska.

Med hänsyn till dessa krav, så är termoelektriska komponenter intressanta kandidater. En termoelektriska komponent är tillverkad av material som direkt återvinner värme (en temperaturgradient) till elektrisk energi utan utsläpp av växthusgaser. De kan också kyla genom den omvända processen, när de genererar en temperaturgradient från en pålagd ström. Detta innebär att de kyler utan rörliga delar eller något kylmedel som kan orsaka miljöproblem. Verkningsgraden är emellertid låg, för närvarande 10% -15%, dessutom är de flesta av dagens termoelektriska material giftiga. Jag har därför studerat en ny klass av material, övergångsmetallnitrider, som en kandidat för termoelektriska tillämpningar. Övergångsmetallnitrider är kända för sina utmärkta mekaniska egenskaper, de används till exempel som beläggningar på skärverktyg i syfte att förbättra prestanda och livslängd. De uppvisar ocksåolika elektriska egenskaper (metaller, halvledare och supraledare). Min studie är inriktad på att förstå de termoelektriska egenskaperna hos övergångsmetallnitrider, främst skandiumnitrid och kromnitrid. Resultaten visar att båda materialen kan vara bra kandidater för termoelektriska tillämpningar.

sted, utgiver, år, opplag, sider
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2015. s. 178
Serie
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1667
HSV kategori
Identifikatorer
urn:nbn:se:liu:diva-117760 (URN)10.3384/diss.diva-117760 (DOI)978-91-7519-067-9 (ISBN)
Disputas
2015-06-01, Planck, Fysikhuset, Campus Valla, Linköping, 10:15 (engelsk)
Opponent
Veileder
Tilgjengelig fra: 2015-05-08 Laget: 2015-05-08 Sist oppdatert: 2019-11-15bibliografisk kontrollert

Open Access i DiVA

Fulltekst mangler i DiVA

Andre lenker

Forlagets fulltekst

Person

Kerdsongpanya, SitEriksson, FredrikJensen, JensLu, JunAlling, BjörnEklund, Per

Søk i DiVA

Av forfatter/redaktør
Kerdsongpanya, SitEriksson, FredrikJensen, JensLu, JunAlling, BjörnEklund, Per
Av organisasjonen
I samme tidsskrift
Journal of Applied Physics

Søk utenfor DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric

doi
urn-nbn
Totalt: 482 treff
RefereraExporteraLink to record
Permanent link

Direct link
Referera
Referensformat
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Annet format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annet språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf