Realizing record-high transverse thermoelectric figure of merit at room temperature in artificially tilted multilayers based on high power factor NiFe alloy

तकनीकी सारांश: NiFe/BST कृत्रिम रूप से झुकी हुई बहुपरतों (ATMLs) में रिकॉर्ड-उच्च अनुप्रस्थ थर्मोइलेक्ट्रिक फिगर ऑफ मेरिट

समस्या विवरण
पारंपरिक अनुदैर्ध्य (longitudinal) थर्मोइलेक्ट्रिक उपकरण कई p- और n-प्रकार के अर्धचालक युग्मों से बने जटिल $\pi$-प्रकार के मॉड्यूल पर निर्भर करते हैं। इस वास्तुकला में अंतर्निहित संरचनात्मक सीमाएँ होती हैं, जिनमें यांत्रिक भंगुरता और अनेक जंक्शनों पर संचयी इंटरफेशियल (अंतराफलकीय) विद्युत और तापीय प्रतिरोधों के कारण महत्वपूर्ण दक्षता हानि शामिल है। जबकि अनुप्रस्थ (transverse) थर्मोइलेक्ट्रिक रूपांतरण, चार्ज और हीट करंट को लंबवत संरेखित करके एक मोनोलिथिक, जंक्शन-मुक्त विकल्प प्रदान करता है, बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के बिना प्रतिस्पर्धी कमरे के तापमान पर प्रदर्शन प्राप्त करना एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है। मौजूदा फील्ड-फ्री दृष्टिकोण, जैसे कि स्थायी चुम्बकों में एनोमलस नर्स्ट प्रभाव (ANE), आमतौर पर निम्न फिगर ऑफ मेरिट ($z_{yx}T \sim 10^{-3}$) प्रदर्शित करते हैं, जबकि कृत्रिम रूप से झुकी हुई बहुपरतों (ATMLs) में ऑफ-डायगोनल सीबेक प्रभाव (ODSE) के माध्यम से संरचनात्मक समरूपता भंग करने वाले पिछले अध्ययनों ने $z_{yx}T \approx 0.20$ से $0.30$ तक की सीमा प्राप्त की है, जो अक्सर गणना किए गए बजाय सीधे मापे गए तापीय चालकता पर निर्भर थे।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने विपरीत परिवहन गुणों वाली दो घटक सामग्रियों: एक उच्च-पावर-फैक्टर $Ni_{50}Fe_{50}$ (NiFe) मिश्र धातु और एक p-प्रकार के $Bi_{0.2}Sb_{1.8}Te_3$ (BST) अर्धचालक को वैकल्पिक और तिरछे रूप से स्टैक करके एक ATML प्रणाली तैयार की।

• डिज़ाइन रणनीति: अध्ययन ने $z_{yx}T$ को अधिकतम करने के लिए इष्टतम ज्यामितीय मापदंडों (झुकाव कोण $\theta$ और मोटाई अनुपात $t$) की गणना करने हेतु उच्च-पावर-फैक्टर NiFe के बड़े ऋणात्मक सीबेक गुणांक और उच्च विद्युत/तापीय चालकता के विरुद्ध BST के बड़े धनात्मक सीबेक गुणांक और निम्न चालकताओं का लाभ उठाया।
• निर्माण: बहुपरतों का निर्माण 500 °C पर 30 MPa के तहत स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग (SPS) का उपयोग करके किया गया था। प्राप्त ब्लॉक्स को $\theta = 20^\circ$ के झुकाव कोण और $t = 0.52$ के NiFe मोटाई अनुपात को प्राप्त करने के लिए काटा गया था।
• विशेषण (Characterization):
  • सूक्ष्म संरचना: परतों की अखंडता को सत्यापित करने और इंटरफेशियल प्रसार का विश्लेषण करने के लिए स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) और एनर्जी-डिस्पर्सिव एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDS) का उपयोग किया गया।
  • इंटरफेशियल परिवहन: इंटरफेशियल विद्युत और तापीय प्रतिरोधों को मापने के लिए स्टैकिंग दिशा में विद्युत प्रतिरोध और तापमान वितरण का मानचित्रण किया गया।
  • प्रदर्शन मापन: सभी महत्वपूर्ण परिवहन पैरामीटर—अनुप्रस्थ थर्मोपॉवर ($S_{yx}$), विद्युत चालकता ($\sigma_{yy}$), और तापीय चालकता ($\kappa_{xx}$)—को शून्य चुंबकीय क्षेत्र के तहत कमरे के तापमान (300 K) पर सीधे मापा गया। इस कार्य में, जहाँ पिछले अध्ययन $\kappa_{xx}$ के गणना किए गए मानों पर निर्भर थे, वहाँ स्थिर-अवस्था (steady-state) विधियों का उपयोग करके प्रत्यक्ष मापन किया गया।

प्रमुख परिणाम

• रिकॉर्ड प्रदर्शन: NiFe/BST-आधारित ATML ने कमरे के तापमान पर बिना किसी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के $z_{yx}T = 0.36$ का अनुप्रस्थ थर्मोइलेक्ट्रिक फिगर ऑफ मेरिट प्राप्त किया। यह मान अब तक के कमरे के तापमान वाले ATML सिस्टम के लिए रिपोर्ट किए गए उच्चतम $z_{yx}T$ का प्रतिनिधित्व करता है।
• प्रायोगिक सत्यापन: मापा गया $z_{yx}T$ (0.36) 0.36 के विश्लेषणात्मक पूर्वानुमान के साथ उत्कृष्ट सहमति में है। प्रत्यक्ष मापन से प्राप्त हुआ:
  • अनुप्रस्थ थर्मोपॉवर ($S_{yx}$): $-68.4 \pm 0.2$ $\mu$V K$^{-1}$।
  • विद्युत चालकता ($\sigma_{yy}$): $1.02 \times 10^6$ S m$^{-1}$।
  • तापीय चालकता ($\kappa_{xx}$): $4.00$W m$^{-1}$K$^{-1}$।
• इंटरफेशियल गुणवत्ता: सूक्ष्म संरचनात्मक विश्लेषण ने एक स्तरित इंटरफेशियल प्रतिक्रिया परत (~50 $\mu$m) का खुलासा किया, जिसमें FeTe और NiTeSb मिश्र धातु शामिल हैं, जो एक मजबूत एडहेसिव (आसंजन) के रूप में कार्य करती है। महत्वपूर्ण रूप से, मात्रात्मक विश्लेषण ने दिखाया कि इंटरफेशियल विद्युत और तापीय प्रतिरोध क्रमशः केवल ~5% और ~7% बल्क प्रतिरोधों का योगदान देते हैं। इस परजीवी प्रतिरोधों का न्यूनीकरण यह सुनिश्चित करता है कि ODSE के लिए आवश्यक मैक्रोस्कोपिक ट्रांसपोर्ट कंट्रास्ट सुरक्षित रहे।
• तुलना: यह प्रदर्शन SmCo$_5$, Ni, n-प्रकार के $Bi_2Te_{2.7}Se_{0.3}$, और Co के साथ BST को संयोजित करने वाले पिछले रिपोर्ट किए गए ATML सिस्टमों से बेहतर है, विशेष रूप से यह देखते हुए कि यह परिणाम शून्य चुंबकीय क्षेत्र के तहत और पूरी तरह से प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित मापदंडों के साथ प्राप्त किया गया है।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि ये परिणाम कमरे के तापमान के आसपास व्यावहारिक अनुप्रस्थ थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के कार्यान्वयन का मार्ग प्रशस्त करते हैं। यह प्रदर्शित करके कि उच्च-प्रदर्शन वाला अनुप्रस्थ रूपांतरण केवल ODSE के माध्यम से फील्ड-फ्री वातावरण में प्राप्त किया जा सकता है, यह अध्ययन इस क्षेत्र में एक प्राथमिक बाधा को संबोधित करता है। एक उच्च-पावर-फैक्टर धात्विक मिश्र धातु (NiFe) को एक पारंपरिक p-प्रकार के अर्धचालक (BST) के साथ सफलतापूर्वक जोड़ना, और सभी परिवहन गुणांकों के कठोर प्रत्यक्ष मापन के साथ मिलकर, कुशल थर्मल ऊर्जा संचयन और इलेक्ट्रॉनिक कूलिंग के लिए ATMLs की व्यवहार्यता की पुष्टि करता है। लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि, जबकि वर्तमान प्रदर्शन रिकॉर्ड-ब्रेकिंग है, भविष्य के कार्यों को इन गुणांकों के तापमान निर्भरता का व्यवस्थित रूप से लक्षण वर्णन करना चाहिए ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि अपशिष्ट ताप रिकवरी और सॉलिड-स्टेट कूलिंग अनुप्रयोगों के लिए और अधिक सुधार संभव है या नहीं।