Synthesis and thermoelectric studies of Zintl phases in the systems of Ba-Al-Sb, Ba-Ga-Sb, and Ba-In-Sb
Synthesis and thermoelectric studies of Zintl phases in the systems of Ba-Al-Sb, Ba-Ga-Sb, and Ba-In-Sb
Zintl phases have attracted interest due to their physical properties, electronic and crystal structures. In recent years ternary Zintl phases were being studied for their interesting thermoelectric properties. Though many Zintl phases are known, the compounds discussed in this work were not studied extensively before. This work emphasizes ternary Zintl phases containing barium and antimony. Ba3AlSb3, Ba3GaSb3, Ba7Ga4Sb9, BaGa2Sb2, and Ba5In2Sb6 have been investigated. In this work, ternary Zintl phases were prepared with optimized synthetic routes and characterized. DFT was used to calculate band gaps, according to which Ba3AlSb3 and Ba3GaSb3 are expected to be semiconductors and Ba7Ga4Sb9, BaGa2Sb2 and Ba5In2Sb6 should be metallic.
Spark plasma sintering was used to compact the products of high-temperature reactions of the elements to make pellets for thermoelectric measurements. Ba3AlSb3 exhibits high Seebeck coefficients (αmax = 383 µVK-1 at 342 K), low electrical (σmax = 18 Sm-1 at 342 K) and thermal conductivities (Κmin = 0.75 Wm-1K-1 at 342 K). Ba3GaSb3 also shows high Seebeck coefficients, low electrical and thermal conductivities. ZT values of both compounds were found to be low due to very low electrical conductivities. To modify the properties doping was attempted using zinc, calcium and strontium as dopants. The products were analysed to identify the presence of dopants using energy dispersive X-ray spectroscopy and atomic absorption spectroscopy. As an example, the thermoelectric properties of Ba3Al0.97Zn0.03Sb3 were studied. It shows modified properties and a higher figure of merit (ZTmax = 0.1081 at 490 K) than the undoped Ba3AlSb3. The thermoelectric properties of Ba7Ga4Sb9 could not be studied due to lack of thermal stability. BaGa2Sb2 was found to be stable in air. It shows high Seebeck coefficients, low electrical and thermal conductivities. Ba5In2Sb6 was found to be an n-type semiconductor. Ba5In2Sb6 exhibits low Seebeck coefficients (αmin = -74 µVK-1 at 473 K), low electrical (σmax = 12,955 Sm-1 at 683 K) and thermal conductivities (Κmin = 1.73 Wm-1K-1 at 520 K). The ZT values of BaGa2Sb2 and Ba5In2Sb6 were also found to be low.
Zintl-Phasen sind interessant aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften, elektronischen Zustände und Kristallstrukturen. In den letzten Jahren sind ternäre Zintl-Phasen aufgrund ihrer interessanten thermoelektrischen Eigenschaften untersucht worden. Obwohl viele Zintl-Phasen bekannt sind, sind die Verbindungen, die in dieser Arbeit diskutiert werden, nicht gut untersucht woden. Im Rahmen dieser Arbeit standen ternäre Zintl-Phasen mit Barium und Antimon im Fokus. Ba3AlSb3, Ba3GaSb3, Ba7Ga4Sb9, BaGa2Sb2 und Ba5In2Sb6 wurden untersucht. In dieser Arbeit wurden ternären Zintl-Phasen mit optimierten Synthesewegen hergestellt und charakterisiert. DFT-Rechnungen wurden verwendet, um Bandlücken zu bestimmen. Demnach wird für Ba3AlSb3 und Ba3GaSb3 halbleitendes wohingegen verhalten erwartet Ba7Ga4Sb9, BaGa2Sb2 und Ba5In2Sb6 metallisch sein sollten.
Feldaktiviertes Sintern (Spark plasma sintering) wurde benutzt, um die Produkte der Hochtemperaturreaktionen der elemente zu verdichten, um Presslinge für thermoelektrische Messungen zu erhalten. Ba3AlSb3 zeigt einen hohen Seebeck-Koeffizienten (αmax = 383 µVK-1 bei 342 K), niedrige elektrische Leitfähigkeit (σmax = 18 Sm-1 bei 342 K) und niedrige Wärmeleitfähigkeiten (Κmin = 0,75 Wm-1K-1 bei 342 K). Ba3GaSb3 zeigt ebenfalls einen hohen Seebeck-Koeffizienten, geringe elektrische Leitfähigkeit und geringe thermische Leitfähigkeit. Aufgrund der sehr niedrigen elektrischen Leitfähigkeiten wurden geringe ZT-Werte für beide Verbindungen erhalten. Um die Eigenschaften zu optimieren, wurden Dotierungen mit Zink, Calcium und Strontium durchgeführt. Energie-dispersive Röntgenspektroskopie und Atomabsorptionsspektroskopie wurde verwendet, um die Gegenwart von Dotierungsmitteln nachzuweisen. Als Beispiel wurden die thermoelektrischen. Eigenschaften Ba3Al0.97Zn0.03Sb3 untersucht. Es zeigt veränderten Eigenschaften und einen höheren Leistungszahl (ZTmax = 0.1081 bei 490 K) als die undotierte probe. Die thermoelektrischen Eigenschaften von Ba7Ga4Sb9 konnten wegen mangelnder thermischer Stabilität nicht untersucht werden. BaGa2Sb2 ist an Luft stabil. Es zeigt einen hohen Seebeck-Koeffizienten und geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit. Ba5In2Sb6 wurde als n-Typ-Halbleiter identifiziert. Es zeigt einen geringen Seebeck-Koeffizienten (αmin = -74 µVK-1 bei 473 K) und niedrige elektrische (σmax = 12.955 Sm-1 bei 683 K) und niedrige Wärmeleitfähigkeit (Κmin = 1,73 Wm-1K-1 bei 520 K). Die ZT-Werte von BaGa2Sb2 und Ba5In2Sb6 sind gering.
