熱電アプリケーション用の空室ドープネオジムテルライドの合成と特性評価

熱電材料は、適用された熱勾配の下で電圧を示し、放射性同位体熱電発電機（RTG）の中心であり、Voyager I、Voyager II、The Mars Curiosity Roverなどの宇宙ミッションの主要なシステムです。ただし、現在使用されている材料は、システムレベルで6.5％近くにある控えめな熱間変換効率のみを可能にし、熱電パフォーマンスが向上した材料システムの開発を保証します。以前の研究では、高温N型材料であるThe Lanthanum Telluride（LA3-X TE4）のメリットの大規模な熱電図が実証されており、最適な陽イオン空室濃度で1275 Kで1.1のピークZT値を達成しました。ここでは、LA3-X TE4と同様の構造を持つ別の希土類テルライド、テルライドネオジウム（ND3-X TE4）の熱電特性の調査を提示します。密度汎関数理論（DFT）計算では、NDの4F電子からフェルミレベル近くの状態密度（DOS）が増加するため、同等の空孔濃度でLA3-X TE4を超えるSeeBeck係数の有意な増加を予測しました。高温の電気抵抗率、シーベック係数、および熱伝導率は、さまざまなキャリア濃度でND3-X TE4について測定されました。これらの測定は、ND3-X TE4の輸送特性に対するNDの4つの4F電子の影響を解明するために、LA3-X TE4と比較されました。ND2.78TE4の1273 Kで1.2のZTが達成されました。これは、LA2.74TE4の改善よりも10％改善されています。

Thermoelectric materials exhibit a voltage under an applied thermal gradient and are the heart of radioisotope thermoelectric generators (RTGs), which are the main power system for space missions such as Voyager I, Voyager II, and the Mars Curiosity rover. However, materials currently in use enable only modest thermal-to-electrical conversion efficiencies near 6.5% at the system level, warranting the development of material systems with improved thermoelectric performance. Previous work has demonstrated large thermoelectric figures of merit for lanthanum telluride (La3-x Te4), a high-temperature n-type material, achieving a peak zT value of 1.1 at 1275 K at an optimum cation vacancy concentration. Here we present an investigation of the thermoelectric properties of neodymium telluride (Nd3-x Te4), another rare-earth telluride with a similar structure to La3-x Te4. Density functional theory (DFT) calculations predicted a significant increase in the Seebeck coefficient over La3-x Te4 at equivalent vacancy concentrations due to an increased density of states (DOS) near the Fermi level from the 4f electrons of Nd. The high temperature electrical resistivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity were measured for Nd3-x Te4 at various carrier concentrations. These measurements were compared to La3-x Te4 in order to elucidate the impact of the four 4f electrons of Nd on the transport properties of Nd3-x Te4. A zT of 1.2 was achieved at 1273 K for Nd2.78Te4, which is a 10% improvement over that of La2.74Te4.