The Role of Zn in Chalcopyrite CuFeS2: Enhanced Thermoelectric Properties of Cu1–xZnxFeS2 with In Situ Nanoprecipitates

黄铜矿 材料科学 热电效应 兴奋剂 溶解度 固溶体 晶体结构 热电材料 塞贝克系数 分析化学(期刊) 结晶学 冶金 物理化学 化学 热力学 物理 光电子学 色谱法
作者
Hongyao Xie,Xianli Su,Gang Zheng,Ting Zhu,Kang Yin,Yonggao Yan,Ctirad Uher,Mercouri G. Kanatzidis,Xinfeng Tang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:7 (3) 被引量:164
标识
DOI:10.1002/aenm.201601299
摘要

Chalcopyrite (CuFeS 2 ) is a widespread natural mineral, composed of earth‐abundant and nontoxic elements. It has been considered a promising n‐type material for thermoelectric applications. In this work, a series of Zn‐doped Cu 1– x Zn x FeS 2 ( x = 0–0.1) compounds are synthesized by vacuum melting combined with the plasma activated sintering process. The role of Zn in the chalcopyrite and its different effects on thermoelectric properties, depending on its concentration and location in the crystal lattice, are discussed. It is found that Zn is an effective donor which increases the carrier concentration and improves the thermoelectric properties of CuFeS 2 . When the content of Zn exceeds the solubility limit, Zn partially enters the Cu sites and forms in situ ZnS nanophase. This, in turn, shifts the balance between the anion and cation species which is re‐established by the formation of antisite Fe/Cu defects. Beyond maintaining charge neutrality of the structure, such antisite defects relieve the lattice strain in the matrix and increase the solubility of Zn further. The highest ZT value of 0.26 is achieved at 630 K for Cu 0.92 Zn 0.08 FeS 2 , which represents an enhancement of about 80% over that of the pristine CuFeS 2 sample.
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