بررسی خواص ترموالکتریک مکسین کاربید تیتانیم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فیزیک-دانشکده علوم-دانشگاه پیام نور

2 گروه کامپیوتر- دانشکده فنی و مهندسی- دانشگاه آزاداسلامی اراک

چکیده

چکیده
رو به اتمام بودن انرژیهای تجدیدناپذیر برای نسلهای آینده و نیز افزایش روزافزون دمای کره‌ی زمین محققین را وادار به بررسی جایگزین این انرژی ها نموده است. از طرفی اتلاف انرژی بسیار زیاد در دستگاهها و ماشینهای مورد استفاده امروزی دانشمندان را به سوی برگرداندن این انرژی‌ها در زمره انرژی‌های مفید سوق داد. نتیجه تحقیقات نشان می دهد مواد ترموالکتریک که نوعی مبدلهای انرژی حالت جامد همراه با ترکیبی از خواص حرارتی الکتریکی و نیمه رسانایی هستند که منجر به تبدیل انرژی حرارتی اتلافی به الکتریسیته میگردند، طبق تعاریف میتوانند جایگزین مناسبی باشند. مواد دو بعدی به دلیل ویژگیهای منحصر به فرد از قبیل سطح ویژه بسیار بالا مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته است. دسته ای از مواد دو بعدی که از سال 2011 کشف و مورد توجه قرار گرفته‌اند مکسین‌ها هستند. مکسینها طیف جدیدی از مواد هستند که با استفاده از فازهای ماکس به دست میآیند. این مواد معموال دارای یک عنصر فلزی از فلزات عناصر واسطه، عموما تیتانیوم و یا کروم، به همراه کربن و یا نیتروژن و یک گروه عاملی همانند فلوئور، اکسیژن و یا هیدروکسیدی هستند. بر اساس نظریه آلتنکیرچ کیفیت مواد ترموالکتریک با ضرایب سیبک و رسانش گرمایی تعیین می گردد. در این کار از نظریه ترابرد نیمه کلاسیکی بولتزمن در قالب بسته نرم افزاری "بولتز ترپ" جهت محاسبه ضرایب ترابرد استفاده شده است. این نظریه در موارد بسیاری دارای جوابهایی است که با نتایﺞ تجربی توافق بسیار خوبی دارد. جهت بررسی خواص ساختاری کاربید تیدانیوم و نیز استفاده در فایلهای ورودی کد بولتز ترپ از از بسته نرم افزاری " کوانتوم اسپرسو" استفاده شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigating the thermoelectric properties of mxene titanium carbide

نویسندگان [English]

  • Alihossein Mohammadzaheri 1
  • Hadi Mohammadzaheri 2
1 Department of Physics - Faculty of science - Payame Noor university
2 Ph.D Student, Department of computer, Faculty of technical and engineering , Islamic Azad University.
چکیده [English]

The depletion of non-renewable energies for the future generations and the increasing temperature of the earth have forced researchers to investigate the alternatives of these energies. A lot of energy wastage in the devices used today led scientists to turn these energies into useful energies. The results of the research show that thermoelectric materials, which are a type of solid state energy converters with a combination of thermal electrical and semiconducting properties that lead to the conversion of waste thermal energy into electricity, can be a suitable alternative according to the definitions. Two-dimensional materials have attracted the attention of many researchers due to their unique features such as a very high specific surface. A group of two-dimensional materials that have been discovered are mxenes. Mxenes are a new range of materials obtained by using Max phases. These materials usually have a metal element from intermediate metals, generally titanium or chromium, along with carbon or nitrogen and a functional group such as fluorine, oxygen or hydroxide. According to Altenkirch's theory, the quality of thermoelectric materials is determined by coefficients of Seebeck and thermal conductivity. In this work, Boltzmann's semi-classical transport theory has been used in the form of "Boltztrap" software package to calculate transport coefficients. In many cases, this theory has answers that agree very well with experimental results. "Quantum Espresso" software package has been used to check the structural properties of titanium carbide and to use it in the input files of Boltz Trap code.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Keywords: "Quantum Espresso"
  • "Boltz trap software package"
  • " two-dimensional material"
  • "mxenes"
  • "maxphases
 
[1] Treatise A, Semiconductors and Semimetals, Recent Trends in thermoelectric materials Research, (Academic Press, 2001).
[2] Rowe: DM. Thermoelectrics handbook: macro to nano: ( CRC press; 2009)
[3] Nolas G.S., Sharp J., Goldsmid J., Thermoelectrics: basic principles and new materials developments, vol. 45: (Springer Science & Business Media; 2013).
[4] Carotenuto G. et al. Synthesis and thermoelectric characterisation of bismuth nanoparticles, J. Nanopart Res, 2009 ;11, 1729-1738.
[5] Heremans J. and C. M. Thrush, Thermoelectric power of bismuth nanowires, Phys. Rev B, 1999; 59, 12579.
[6] Glatz A. and Beloborodov, I. S. Thermoelectric performance of granular semiconductors, Phys. Rev B, 2009; 80, 245440.
[7] Cheng Zheng Jin, Recent advances on thermoelectric materials, Front. Phys. China, 2008; 3, 269–279.
 [8] Ioffe A. F, Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling Infosearch (Ltd., 1965).
[9] Markovic D.S., Zivkovic D., Cvetkovic D., Popovic R., Impact of nanotechnology advances in ICT on sustainability and energy efficiency, Renewable and Sustainable Energy Reviews; 2012. 16 , 2966-2972.
[10] Santos R., Yamini S.A., Dou S.X., Recent progress in magnesium-based thermoelectric materials. Journal of Materials Chemistry A; 2018, 6 , 3328-3341.
 
[11] Levi B.G., Simple compound manifests record-high thermoelectric performance, Physics Today; 2014, 67, 14–16.
[12] He J., Kanatzidis M. G., Dravid V.P., High performance bulk thermoelectrics via a panoscopic approach, Materials Today; 2013, 16, 166–176.
[13] Fiori G., Francesco B., Iannaccone G., Palacios T., Neumaier D., Seabaugh A., Banerjee, Colombo S.K., L., Electronics based on twodimensional materials, Nature nanotechnology; 2014,  9.
 [14] Naguib M., Kurtoglu M., Presser V., Lu J., Niu J., Heon M., Hultman L., Gogotsi Y., Barsoum M.W., Two‐dimensional nanocrystals produced by exfoliation of Ti3AlC2, Advanced materials; 2011, 23, 4248-4253.
[15] Anasori B., and Gogotsi Y., Introduction to 2D transition metal carbides and nitrides (MXenes), in 2D Metal carbides and nitrides
(MXenes). 2019, Springer. p. 3-12.
[16] Oyama S.T., et al., Preparation and characterization of early transition metal carbides and nitrides. Industrial & engineering chemistry research, 1988. 27 (9): p. 1639-1648.
[17] Levy R. and Boudart M., Platinum-like behavior of tungsten carbide in surface catalysis. science, 1973. 181 (4099): p. 547-549.
[18] Halim J., Synthesis and Transport Properties of 2D Transition Metal Carbides, Linköping University Electronic Press, 2018, 1953.
[19] Persson I., Surface Characterization of 2D Transition Metal Carbides (MXenes), 2019, 1986.
[20] Naguib M., Mochalin V.N., Barsoum M.W., Gogotsi Y., 25th Anniversary Article: MXenes: A New Family of Two-Dimensional Materials, Advanced Materials; 2014, 26  992-1005.
[21] Venkateshalu S., Grace  A.N., MXenes—A New Class of 2D Layered Materials: Synthesis, Properties, Applications as Supercapacitor Electrode and Beyond, Applied Materials Today; 2020, 18,  100509.
[22] Lei J.C., Zhang X., Zhou Z., Recent Advances in MXene: Preparation, Properties, and Applications, Frontiers in Physics; 2015, 10,  276-286. 
[23] Khazaei M., Mishra A., Venkataramanan  N.S., Singh A.K., Yunoki S., Recent Advances in MXenes: From Fundamentals to Applications, Current Opinion in Solid State & Materials Science; 2019, 23, 164-178.
[24] Ronchi R.M., Arantes J.T., Santos S.F., Synthesis, Structure, Properties and Applications of MXenes: Current Status and Perspectives, Ceramics International; 2019, 45,  18167.
[25] Perdew J.P., Burke, Ernzerhof,K., M. Generalized Gradient Approximation Made Simple, Physical review letters; 1996 77,  3865.
[26] Giannozzi P., et al., A modular and open-source software project for quantum simulations of materials, Journal of Physics: Condensed Matter; 2009, 21, 395502-395521.
[27] Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M., Generalized Gradient Approximation Made Simple, Physical Review Letters; 1996, 77 (18), 3865-3868.
[28] Ding G., Gao G.Y., Yao K.L., Thermoelectric performance of half-Heusler compounds MYSb (M = Ni, Pd, Pt), Journal of Physics D: Applied Physics; 2014, 47,  385305(5).
[29] Saeed Y., Singh N., Schwingenschlogl U., Superior thermoelectric response in the 3R phases of hydrated NaxRhO2, Scientific Reports; 2014, 4 4390(5).
[30] Hinsche N.F., et al., Thermoelectric transport in Bi2Te3/Sb2Te3 superlattices, Physical Review B; 2012, 86  085323(13).
[31] Shi G., Kioupakis E., Quasiparticle band structures and thermoelectric transport properties of p-type SnSe, Journal of Applied Physics; 2015, 117 065103(10).

[32] Bandaru S, Agnieszka M., Jastrzębska, and Birowska M., Recent progress in thermoelectric MXene-based structures versus other 2D materials. Condensed Matter > Materials Science, 2023.