Unconventional thermoelectrics based on self-organized nanocrystal superlattices

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Sousa, Viviana Lima de
Data de Publicação: 2024
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/93547
Resumo: Programa doutoral em Engenharia de Materiais
id RCAP_d15dc320d0eeda373c7e666514c8f6c7
oai_identifier_str oai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/93547
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository_id_str 7160
spelling Unconventional thermoelectrics based on self-organized nanocrystal superlatticesTermoelétricos não convencionais baseados na auto-assemblagem de nanocristais em superestruturasFilmes finosNanocristaisSíntese coloidalTermoelétricosColloidal synthesisNanocrystalsThermoelectricsThin filmsEngenharia e Tecnologia::Engenharia dos MateriaisPrograma doutoral em Engenharia de MateriaisA transição energética depende do uso de tecnologias sustentáveis que consigam atingir zero emissões de CO2 com elevada eficiência energética. Uma dessas tecnologias é a termoelétrica uma vez que utiliza energia rejeitada sob a forma de calor e gera eletricidade a partir de gradientes de temperatura. Contudo, não é trivial obter elevados desempenhos nos materiais termoeléctricos (TEs) sem recorrer a precursores de elevada pureza e raros, como o bismuto e o telúrio. O recente progresso no desenvolvimento de nanoestruturas permitiu fabricar materiais TEs para utilização em dispositivos de filme fino. A síntese de nanomateriais coloidais permitiu o desenvolvimento de técnicas de deposição com potencial de aplicação comercial. Nesta tese foi desenvolvida uma síntese coloidal que permite obter gramas de partículas TEs de calcogenetos que mantêm as dimensões nano/micro após densificação. Também foi investigada a síntese de pontos quânticos (QDs) de PbSe e as suas propriedades TEs quando depositados em filmes finos em estruturas ordenadas e desordenadas. Além disso, foram impressos em tela dispositivos TEs com QDs de PbSe para explorar o seu potencial de alimentação de pequenos dispositivos. Partículas de PbTe, PbSe e SnSe com elevada pureza e cristalinidade foram produzidas por síntese coloidal de elevado rendimento. Após densificação, a morfologia nano/micro das partículas foi mantida. A maior dispersão de fonões na interface das nanoestruturas permitiu uma baixa condutividade térmica de 0.31 W m–1 K–1 a 673 K para o SnSe e um notável ZT de 0.73 a 673 K para o PbSe. Além disso, a síntese de QDs de PbSe permitiu demonstrar que o confinamento quântico das partículas pode alterar a energia da densidade de estados perto do nível de Fermi levando a uma melhoria do Seebek. A impressão de filmes de PbSe com alguns microns demonstrou um notável coeficiente de Seebeck de 561 μV K–1 a 416 K. Curiosamente, superestruturas de nanocristais podem melhorar o transporte das cargas e assim o desempenho TE. Desta forma, a auto-assemblagem de filmes finos de QDs de PbSe revelou uma condutividade térmica muito baixa de 0.7 W m–1 K–1 à temperatura ambiente e uma melhoria de 100 vezes na condutividade elétrica após tratamento térmico com sais fundidos. De forma a explorar o potencial deste material para aplicações comerciais desenvolveram-se dispositivos totalmente impressos em tela com QDs de PbSe obtendo uma potência máxima de 0.65 nW para um ΔT = 45 K. Este trabalho permitiu aumentar o conhecimento nas propriedades dos nanomateriais TEs utilizando diferentes técnicas de caracterização estrutural, morfológica, elétrica e termoelétrica. A síntese coloidal e as técnicas de deposição exploradas permitiram preparar materiais TEs com potencial para aplicações em larga-escala.Global energy transition relies on sustainable technologies that can achieve zero CO2 emissions with high energy efficiency. One of the promising technologies for energy transition is thermoelectricity since it can use rejected waste heat and generate electricity from temperature gradients. However, it has been challenging to obtain high thermoelectric (TE) performance without high-purity precursors and rare-Earth materials such as bismuth and tellurium. Recent progress on nanostructuring allowed to develop TE materials with potential for thin film TE applications such as wearables and Internet of Things devices. Synthesis of colloidal nanomaterials enabled solution processable deposition methods that can be further scaled-up for commercial use. In this thesis, colloidal syntheses were employed to produce gram-scale TE chalcogenides particles and ensure nano/micro-structure after spark plasma sintering. Also, synthesis of PbSe quantum dots (QDs) and their TE properties when deposited into ordered and disordered thin films was assessed. Further deposition of screen-printed PbSe QD thin films allowed to fabricate and explore TE devices with potential to power small applications. High-yield, phase-pure and high-crystallinity PbTe, PbSe, and SnSe particles were obtained by one-pot colloidal synthesis. Their nano/micro-structure was maintained after sintering, demonstrating very low thermal conductivity of 0.31 W m–1 K–1 at 673 K for SnSe. A remarkable performance was attained for ntype PbSe with figure of merit, ZT, of 0.73 at 673 K which demonstrated nanostructures potential as phonon scattering interfaces. Further colloidal synthesis of PbSe QDs showed that quantum confinement of the particles can alter density of states near Fermi level enhancing Seebeck. In this way, screen printing PbSe QD thin films with few microns demonstrated outstanding Seebeck coefficient of 561 μV K–1 at 416 K. Interestingly QD superlattices can further improve TE performance due to ordering effect on charges transport. In this way, deposited PbSe QD self-assembled thin films revealed a very low thermal conductivity of 0.7 W m–1 K–1 at room temperature and over 100-fold improvement on electrical conductivity through molten salt heat-treatment. To further confirm PbSe QD thin films for commercial TE applications, a fully screen-printed device was fabricated delivering maximum power of 0.65 nW at ΔT = 45 K. This work allowed to build knowledge on TE nanomaterials properties through different characterization technologies on thin films and pellets. Colloidal synthesis and solution processable deposition techniques explored allowed to prepare chalcogenide TE materials with improved properties for scaled-up applications.This work was financially supported by Portuguese Foundation of Science and Technology through the grant no. SFRH/BD/143750/2019Alpuim, P.Kolen'ko, YuryVieira, E. M. FUniversidade do MinhoSousa, Viviana Lima de2024-07-292024-07-29T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/93547eng101668740info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2024-11-02T01:22:22Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/93547Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openairemluisa.alvim@gmail.comopendoar:71602024-11-02T01:22:22Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
dc.title.none.fl_str_mv Unconventional thermoelectrics based on self-organized nanocrystal superlattices
Termoelétricos não convencionais baseados na auto-assemblagem de nanocristais em superestruturas
title Unconventional thermoelectrics based on self-organized nanocrystal superlattices
spellingShingle Unconventional thermoelectrics based on self-organized nanocrystal superlattices
Sousa, Viviana Lima de
Filmes finos
Nanocristais
Síntese coloidal
Termoelétricos
Colloidal synthesis
Nanocrystals
Thermoelectrics
Thin films
Engenharia e Tecnologia::Engenharia dos Materiais
title_short Unconventional thermoelectrics based on self-organized nanocrystal superlattices
title_full Unconventional thermoelectrics based on self-organized nanocrystal superlattices
title_fullStr Unconventional thermoelectrics based on self-organized nanocrystal superlattices
title_full_unstemmed Unconventional thermoelectrics based on self-organized nanocrystal superlattices
title_sort Unconventional thermoelectrics based on self-organized nanocrystal superlattices
author Sousa, Viviana Lima de
author_facet Sousa, Viviana Lima de
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Alpuim, P.
Kolen'ko, Yury
Vieira, E. M. F
Universidade do Minho
dc.contributor.author.fl_str_mv Sousa, Viviana Lima de
dc.subject.por.fl_str_mv Filmes finos
Nanocristais
Síntese coloidal
Termoelétricos
Colloidal synthesis
Nanocrystals
Thermoelectrics
Thin films
Engenharia e Tecnologia::Engenharia dos Materiais
topic Filmes finos
Nanocristais
Síntese coloidal
Termoelétricos
Colloidal synthesis
Nanocrystals
Thermoelectrics
Thin films
Engenharia e Tecnologia::Engenharia dos Materiais
description Programa doutoral em Engenharia de Materiais
publishDate 2024
dc.date.none.fl_str_mv 2024-07-29
2024-07-29T00:00:00Z
dc.type.driver.fl_str_mv doctoral thesis
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://hdl.handle.net/1822/93547
url https://hdl.handle.net/1822/93547
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.relation.none.fl_str_mv 101668740
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron:RCAAP
instname_str Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
collection Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository.name.fl_str_mv Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
repository.mail.fl_str_mv mluisa.alvim@gmail.com
_version_ 1817548674570387456