FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF NANOCRYSTALLINE BISMUTH TELLURIDE BASED SURFACES FOR THERMOELECTRIC APPLICATIONS USING ADVANCED PULSED LASER DEPOSITION

FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF NANOCRYSTALLINE BISMUTH TELLURIDE BASED SURFACES FOR THERMOELECTRIC APPLICATIONS USING ADVANCED PULSED LASER DEPOSITION. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Yakubu-Wudil-Phd-Thesis-Final.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 24 May 2022.

Download (12MB)

Arabic Abstract

ملخص الرسالة الاسم الكامل: ]ياكوبو ساني وديل[ عنوان الرسالة: ]تصنيع وتوصيف الأسطح القائمة على بزموت تيلوريد النانوي للتطبيقات الكهروحرارية باستخدام الترسيب بالليزر النبضي المتقدم[ التخصص: ]الفيزياء[ تاريخ الدرجة العلمية: ]أبريل 2021 ] لقد حظي توليد الطاقة للتطبيقات المنزلية والصناعية من خلال تحويل الحرارة المهدرة عبر التأثيرات الكهروحرارية باهتمام مستمر وأثار اهتمامًا واسع النطاق على مستوى العالم بسبب الأزمة البيئية المتزايدة باستمرار مثل الاحتباس الحراري الناتج عن حرق الوقود الأحفوري وانخفاض موارد الطاقة . أظهرت المواد القائمة على بزموت تيلوريد أداءً حراريًا عاليًا ، خاصة في درجات الحرارة المنخفضة مما يجعلها مناسبة لتطبيقات التبريد. ومع ذلك ، فإن كفاءتها محدودة بسبب البداية المبكرة للإثارة الذاتية لحاملات شحن الأقلية. لعقود من الزمان ، كان الاعتماد المتبادل بين المعلمات الكهروحرارية ذات الصلة هو العائق الرئيسي الذي يوقف الاستخدام الواسع لهذه المواد لإنتاج الطاقة النظيفة. يمكن تحسين الأداء الكهروحراري عن طريق تقليل الموصلية الحرارية من خلال البنية النانوية وتقلبات الكتلة أو عن طريق تعظيم عامل القدرة من خلال هندسة الهيكل الإلكتروني. يشير هذا العمل إلى تصنيع أغشية كهروحرارية رفيعة تعتمد على البلورات النانوية لبزموت تيلورايد باستخدام نظام الترسيب بالليزر النبضي. تم دراسة تأثير ظروف النمو على الكفاءة الكهروحرارية للمواد. كشفت الخصائص الهيكلية والشكلية لدينا عن أفلام عالية الجودة مناسبة لتطبيقات .TE لزيادة تحسين أداء TE ، تم إدخال عناصر ثانوية في المصفوفة الأصلية لإنشاء مواد مركبة ذات كفاءة مثالية في تحويل الطاقة. تم تقدير الموصلية الحرارية للأغشية بناءً على تقنية جديدة لتحليل رامان الطيفي المعتمد على درجة الحرارة. تم تحقيق أعلى ZT 1.12 عند 300 كلفن لأفلام تيلورايد الأنتيمون البزموت النانوية مخدر بالنحاس من النوع p . وفي الوقت نفسه ، أنتجت أفلام تيلورايد الأنتيمون المشبعة بالسيلينيوم من النوع n ZT 92.0 عند نفس درجة الحرارة

English Abstract

ABSTRACT Full Name: [Yakubu Sani Wudil] Thesis Title: [Fabrication and Characterization of Nanocrystalline Bismuth Telluride Based Surfaces for Thermoelectric Applications using Advanced Pulsed Laser Deposition] Major Field: [Physics] Date of Degree: [April 2021] Energy generation for domestic and industrial applications through the conversion of waste-heat heat via thermoelectric effects has consistently received attention and aroused widespread interest globally due to the ever-growing environmental crisis such as global warming resulting from burning fossil fuels and a decline in energy resources. Bi2Te3-based materials have exhibited high thermoelectric performance, particularly at lower temperatures making them suitable for cooling applications. However, their efficiency is limited by the early onset of intrinsic excitation of minority charge carriers. For decades, the interdependence between the relevant thermoelectric parameters has been the main impediment halting the large-scale usage of these materials for clean energy production. The thermoelectric performance can be improved by reducing the thermal conductivity through nanostructuring and mass fluctuations or by maximizing the power factor through electronic structure engineering. This work reports the fabrication of nanocrystalline Bi2Te3-based thermoelectric thin-films using a pulsed laser deposition system. The effects of the growth conditions on the thermoelectric efficiency of the materials were investigated. Our structural and morphological characterizations revealed high-quality films suitable for TE applications. To further improve the TE performance, secondary elements were introduced to the parent matrix to create composite materials with optimum power conversion efficiency. The thermal conductivity of the films was estimated based on a novel technique of temperature-dependent Raman spectroscopy. The highest ZT of 1.12 was achieved at 300 K for the p-type nanocrystalline Cu-doped bismuth antimony telluride films. Meanwhile the n-type Se-doped Bi2Te3 films yielded ZT of 0.92 at the same temperature.

Item Type: Thesis (PhD)
Subjects: Research
Physics
Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Physics
Committee Advisor: Gondal, M. A.
Committee Members: Ziq, Khalil and Rao, Saleem and Mekki, Abdelkrim
Depositing User: YAKUBU WUDIL (g201409180)
Date Deposited: 05 Jul 2021 06:43
Last Modified: 05 Jul 2021 06:43
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141884