Ternary 1-1-1- and 1-2-2-metal phosphides as thermoelectric materials

Lerner, Pascal David Friedrich; Technische University Darmstadt (Germany). Fachbereich Chemie

doi:10.26083/tuprints-00020299

Published December 13, 2021 | Version v1

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Ternary 1-1-1- and 1-2-2-metal phosphides as thermoelectric materials

In this work, ternary metal phosphides of the type 1-1-1- and 1-2-2-AMP (A = alkaline earth, M = transition metal) and quaternary phases Ba $_{1 - x}$ M $_{x}$ Mn $_{2}$ P $_{2}$ (M = Eu, Sr, La) were thermoelectrically investigated. The substances were prepared via solid state syntheses and structurally characterized by X-ray diffraction. Thermal conductivities, electrical conductivities and Seebeck-coefficients were determined for the thermoelectric properties. CaCuP, as a representative of a 1-1-1 system, shows a zT value of 0.5 at 700 °C. With the 1-2-2-Compound BaMn $_{2}$ P $_{2}$ it was possible to identify a n-semiconducting Zintl-Phase.

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Also available from: http://dx.doi.org/10.26083/tuprints-00020299

Abstract (German)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit thermoelektrischen Eigenschaften von ausgewählten Phosphiden. Dabei lag ein Fokus auf der Suche nach einer Zintl-Verbindung mit n-leitenden Eigenschaften. Die meisten bekannten Thermoelektrika vom Zintl-Typ sind p-leitend. Es wurden ternäre Systeme mit den Zusammensetzungen 1-1-1 und 1-2-2 untersucht. Im System 1-1-1 wurden MCuP (M = Ca, Sr, Ba) und ZrCoP synthetisiert. Die Erdalkalimetallkupferphosphide waren halbleitend und wiesen p-leitendes Verhalten auf. Insbesondere CaCuP zeigte eine außerordentlich gute thermoelektrische Performanz mit zT-Werten von bis zu 0,42 bei 700 °C. Die Verbindung ZrCoP wies n-leitendes, metallisches Verhalten auf und hatte relativ hohe elektrische Leitfähigkeiten und niedrige Seebeck-Koeffizienten. Bezüglich der 1-2-2-Verbindungen wurden BaM

_{2}

P

_{2}

(M = Mn, Fe, Co, Ni) sowie CeFe

_{2}

P

_{2}

, CeCo

_{2}

P

_{2}

und SmCo

_{2}

P

_{2}

thermoelektrisch charakterisiert. Kristallographisch unterschied sich BaMn

_{2}

P

_{2}

von den anderen untersuchten Barium-Übergangsmetall-Phospiden, unter anderem durch größere Gitterparameter. BaMn

_{2}

P

_{2}

ist insofern ein Sonderfall, als es im ThCr

_{2}

Si

_{2}

-Typ kristallisiert, während die 1-2-2-Phosphide, welche kleinere Kationen und d

^{5}

-, d

^{0}

-, oder d

^{10}

-Metalle enthalten normalerweise in dem CaAl

_{2}

Si

_{2}

-Strukturtyp kristallisieren. Neben der Struktur, unterschied sich BaMn

_{2}

P

_{2}

von den drei anderen untersuchten Verbindungen durch deutlich niedrigere elektrische Leitfähigkeiten Mit BaMn

_{2}

P

_{2}

konnte eine halbleitende Zintl-Phase mit n-leitenden Eigenschaften identifiziert werden. Die Verbindungen CeFe

_{2}

P

_{2}

, CeCo

_{2}

P

_{2}

und SmCo

_{2}

P

_{2}

ähnelten in ihren elektronischen Transporteigenschaften den Eisen-, Cobalt- und Nickel-enthaltenden Barium-Übergangsmetall-Phosphiden. Dabei erwies sich nur SmCo

_{2}

P

_{2}

als über den gesamten vermessenen Temperaturbereich n-leitend. Von BaMn

_{2}

P

_{2}

wurden substituierte Varianten hergestellt. Es hat sich dabei gezeigt, dass ein Einbau von Eisen, Cobalt oder Nickel auf der Mangan-Position wider Erwarten nicht erfolgreich war. Ein Erklärungsansatz ist die Neigung von d

^{5}

-Metallen, im CaAl

_{2}

Si

_{2}

-Strukturtyp zu kristallisieren. Mit Europium, Strontium und Lanthan konnten erstmalig feste Lösungen mit BaMn

_{2}

P

_{2}

synthetisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene ternäre Phosphide synthetisiert und erstmalig thermoelektrisch charakterisiert, dabei konnte eine Verbindung auch erstmalig strukturell beschrieben werden. Mit BaMn

_{2}

P

_{2}

wurde das Ziel eine n-leitende Verbindung zu identifizieren erreicht und die Verbindung kann als Grundlage für ein optimiertes n-leitendes thermoelektrisches Material dienen.

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Original title (German): Ternäre 1-1-1- und 1-2-2-Metallphosphide als thermoelektrische Materialien

DOI: 10.26083/tuprints-00020299;

Imprint Pagination: 113 p.
Report number: INIS-DE--4053

Country of Publication: Germany
Country of Input or Organization: Germany
INIS RN: 53109377
Subject category: S36: MATERIALS SCIENCE;
Resource subtype / Literary indicator: Thesis
Descriptors DEI: AMP; ELECTRIC CONDUCTIVITY; PHOSPHIDES; THERMOELECTRIC MATERIALS; THERMOELECTRIC PROPERTIES; X-RAY DIFFRACTION
Descriptors DEC: COHERENT SCATTERING; DIFFRACTION; ELECTRICAL PROPERTIES; MATERIALS; NUCLEOTIDES; ORGANIC COMPOUNDS; PHOSPHORUS COMPOUNDS; PHYSICAL PROPERTIES; PNICTIDES; SCATTERING

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