Effect of Half-Heusler Interfacial Structure on Thermal Transport Properties of (Ti, Zr)NiSn Alloys

材料科学 微观结构 旋节分解 热导率 金属间化合物 散射 相(物质) 合金 声子散射 凝聚态物理 声子 复合材料 光学 化学 物理 有机化学
作者
Mizuki Sato,Yaw Wang Chai,Yoshisato Kimura
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (21): 25503-25512 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acsami.1c03525
摘要

The microstructure of the half-Heusler phase separation in half-Heusler (HH) MNiSn(M = Ti, Zr) intermetallic compounds has been investigated systematically in this study. Scanning electron microscopy observations from a range of (Tix, Zr1–x)NiSn have revealed the HH single phase at high temperature formed into many HH domains of various HH compositions with different Ti/Zr concentration ratios when x > 0.1. The formation of Ti-rich and Zr-rich HH domains with rather large size (up to several hundred μm in diameter) is thought to originate from a combination of the liquid solidification process and followed by an HH phase decomposition process within a miscibility gap between the TiNiSn and ZrNiSn HH phases. We have noticed that in addition to the mass and size difference based phonon scattering, sharp interfaces between the Ti-rich and Zr-rich HH domains containing high density of misfit dislocations could provide additional phonon scattering centers and reduced thermal conductivity of the alloys. Moreover, the cyclic heat treatment process at temperatures near the HH phase-decomposition's critical temperature could modify the HH domains' microstructure to become more diffuse, coherent with a more comprehensive length scale, and globular shape. These diffuse and coherent Ti-rich HH1/Zr-rich HH2 interfaces can provide an additional enhancement of phonon scattering and thereby result in a more considerable reduction of thermal conductivity than those of relatively less diffuse ones. We anticipate a similar approach of using cyclic heat treatment to modify the microstructure and consequently lead to further enhancement of phonon scattering can also apply to many other thermoelectric alloy systems possessing a miscibility gap.
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