الرئيسية < البحوث والدراسات < تفاصيل بحث أو دراسة
Investigation of Thermoelectric Properties of Nanostructured Bismuth Telluride for Energy Harvesting Application
| الباحث(ون): | - Iman Mohammed
- H. Zagheb
- T.Khalifa
|
| المؤسسة: | Department of Physics, College of Science, University of Zawia, Ajelat , Libya |
| المجال: | العلوم العامة: الرياضيات و الاحصاء و الفيزياء |
| منشور في: | العدد السابع والثلاثون - أكتوبر 2025 |
الملخص
تقدم المواد الكهرو حرارية (TE)، التي تُحوّل الحرارة مباشرةً إلى كهرباء، مسارًا واعدًا نحو استعادة الحرارة المُهدرة والأجهزة ذاتية التشغيل. يُعدّ تيلورايد البزموت (Bi2Te3) مادة كهروحرارية متطورة لتطبيقات قريبة من درجة حرارة الغرفة؛ إلا أن شكله السائب يعاني من انخفاض قيمة معامل الجدارة عديم الأبعاد (ZT ≈ 1). ويعود ذلك إلى توازن أساسي بين خصائصه الكهربائية والحرارية. تُتيح البنية النانوية وسيلةً لفصل هذه الخصائص من خلال تعزيز تشتت الفونونات مع الحفاظ على حركة جيدة لحاملات الشحنة. تبحث هذه الدراسة في تركيب وتوصيف وأداء Bi2Te3 ذو البنية النانوية المُصنّع عبر التوليف الحراري المائي متبوعًا بطحن الكرات وتلبيد البلازما الشرارية (SPS). وقد استُخدمت تقنيات حيود الأشعة السينية (XRD)، والمجهر الإلكتروني الماسح/النافذ (SEM/TEM)، وطيف رامان، وطيف تشتت الطاقة (EDS) لدراسة بنية البلورات وشكلها. تم قياس معامل سيبيك (S)، والموصلية الكهربائية (σ)، والموصلية الحرارية (κ) ضمن نطاق 300-500 كلفن، وحُسبت قيم ZT. أظهرت العينات ذات البنية النانوية حبيبات نانوية (≈50 -100 نانومتر) وبلورية عالية. بالمقارنة مع Bi2Te3 السائب، أظهرت المادة النانوية تشتتًا معززًا للفونون، مما أدى إلى انخفاض κ وتحسين S دون المساس الشديد بـ σ. وصل الحد الأقصى ل ZT بمقدار ≈1.3 عند 425 كلفن، متجاوزًا القيم السائبة ومقارنًا بتقارير الأدبيات حول Bi2Te3 المُركبة حراريًا مائيًا(ZT ≈ 0.8-1.03) (Zhang et al., 2022).. تُظهر هذه النتائج أن البنية النانوية الخاضعة للرقابة هي استراتيجية فعّالة لتحسين أداء TE لـ Bi2Te3 لتطبيقات حصاد الطاقة. ينبغي أن تجمع الأعمال المستقبلية بين البنية النانوية والتحكم الأمثل في المنشطات والتوجيه لزيادة تحسين ZT والمتانة الميكانيكية للأجهزة المرنة بشكل أكبر...............
الكلمات المفتاحية:............. المواد الحرارية الكهربائية؛ تيلورايد البزموت؛ البنية النانوية؛ رقم الجدارة؛ استعادة الحرارة المهدرة؛ حصاد الطاقة
Abstract
Thermoelectric (TE) materials, which convert heat directly into electricity, offer a promising path toward waste-heat recovery and self-powered devices. Bismuth telluride (Bi2Te3) is a state-of-the-art TE material for near-room-temperature applications; however, its bulk form suffers from a low dimensionless figure-of-merit (ZT ≈ 1). This is due to a fundamental trade-off between its electrical and thermal transport properties. Nanostructuring provides a route to decouple these properties by enhancing phonon scattering while maintaining good carrier mobility. This study investigates the synthesis, characterization, and thermoelectric performance of nanostructured Bi2Te3 fabricated via hydrothermal synthesis followed by ball-milling and spark plasma sintering (SPS). X-ray diffraction (XRD), scanning/transmission electron microscopy (SEM/TEM), Raman spectroscopy, and energy-dispersive spectroscopy (EDS) were used to probe the crystal structure and morphology. The Seebeck coefficient (S), electrical conductivity (σ), and thermal conductivity (κ) were measured over the 300–500 K range, and ZT values were calculated. The nanostructured samples exhibited nanoscale grains (≈50–100 nm) and high crystallinity. Compared with bulk Bi2Te3, the nanostructured material showed enhanced phonon scattering, leading to reduced κ and improved S without severely compromising σ. A maximum ZT of ≈1.3 was reached at 425 K, exceeding bulk values and comparable to literature reports of hydrothermally synthesized Bi2Te3 (ZT ≈ 0.8–1.03) (Zhang et al., 2022). These findings demonstrate that controlled nanostructuring is a viable strategy to enhance the TE performance of Bi2Te3 for energy harvesting applications. Future work should combine nanostructuring with optimized doping and orientation control to further improve ZT and mechanical robustness for flexible devices...............
Keywords: ...........thermoelectric materials; bismuth telluride; nanostructuring; figure of merit; waste heat recovery; energy harvesting.