banner
Centre d'Information
Nous offrons une qualité de premier ordre à un prix abordable.

Hautes performances thermoélectriques des films nanocomposites flexibles à base de nanoplaques Bi2Te3 et de nanotubes de carbone sélectionnés par ultracentrifugation

Nov 17, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3010 (2023) Citer cet article

1034 accès

3 Citations

1 Altmétrique

Détails des métriques

Les générateurs thermoélectriques offrant une flexibilité et des performances élevées proches de 300 K ont le potentiel d'être utilisés dans des alimentations électriques autonomes pour les appareils de l'Internet des objets (IoT). Le tellurure de bismuth (Bi2Te3) présente des performances thermoélectriques élevées et les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) présentent une excellente flexibilité. Par conséquent, les composites de Bi2Te3 et de SWCNT devraient présenter une structure optimale et des performances élevées. Dans cette étude, des films nanocomposites flexibles à base de nanoplaques de Bi2Te3 et de SWCNT ont été préparés par coulée en goutte sur une feuille flexible, suivie d'un recuit thermique. Les nanoplaques de Bi2Te3 ont été synthétisées à l'aide de la méthode solvothermique et les SWCNT ont été synthétisés à l'aide de la méthode de super-croissance. Pour améliorer les propriétés thermoélectriques des SWCNT, une ultracentrifugation avec un tensioactif a été réalisée pour obtenir sélectivement des SWCNT appropriés. Ce processus sélectionne des SWCNT minces et longs mais ne tient pas compte de la cristallinité, de la distribution de la chiralité et des diamètres. Un film composé de nanoplaques de Bi2Te3 et des SWCNT minces et longs présentait une conductivité électrique élevée, qui était six fois supérieure à celle d'un film avec des SWCNT obtenus sans ultracentrifugation ; en effet, les SWCNT connectaient uniformément les nanoplaques environnantes. Le facteur de puissance était de 6,3 μW/(cm K2), révélant qu'il s'agit de l'un des films nanocomposites flexibles les plus performants. Les résultats de cette étude peuvent soutenir l'application de films nanocomposites flexibles dans des générateurs thermoélectriques pour fournir des alimentations électriques autonomes pour les appareils IoT.

Les générateurs thermoélectriques à couches minces (TEG) suscitent un intérêt croissant en tant qu'alimentations électriques pour les capteurs et les appareils de l'Internet des objets (IoT)1,2,3,4. Les TEG produisent de l'énergie électrique à partir de diverses sources de chaleur, telles que le corps humain, la chaleur résiduelle industrielle et la chaleur naturelle5,6,7. Les alimentations électriques des capteurs et des dispositifs IoT doivent être flexibles et de petite taille, mais ne doivent pas nécessairement générer une puissance électrique élevée8. Les exigences des capteurs et des dispositifs IoT s'alignent sur les caractéristiques des TEG à couche mince. L'efficacité d'un TEG dépend directement des performances du matériau thermoélectrique, exprimées par le facteur de mérite sans dimension (ZT), défini par ZT = σS2T/κ, et le facteur de puissance (PF), défini par PF = σS2, où σ, S et κ sont respectivement la conductivité électrique, le coefficient Seebeck et la conductivité thermique.

Parmi les matériaux thermoélectriques, le tellurure de bismuth (Bi2Te3) et les nanotubes de carbone (NTC) sont les principaux candidats pour les applications susmentionnées. Bi2Te3 a été développé dans les années 1950 et présente les performances thermoélectriques les plus élevées près de 300 K9,10. Bi2Te3 a une structure cristalline rhomboédrique de type tétradymite, avec le groupe d'espace \(D_{3d}^{5} (R\mathop 3\limits^{ - } m)\), et sa cellule unitaire est décrite comme hexagonale. En raison de cette structure, les cristaux de Bi2Te3 se développent sous forme de nanoplaques hexagonales dans le processus en solution11,12,13. Les nanoplaques de Bi2Te3 mesurent environ 1 μm de diamètre et des dizaines de nanomètres d'épaisseur. Cette structure contribue à améliorer les performances thermoélectriques grâce à l'effet de faible dimension et à l'effet de taille quantique14,15,16. Dans des études antérieures, des nanoplaques hexagonales de Bi2Te3 ont été synthétisées par synthèse solvothermique dans diverses conditions17,18,19, et des films de nanoplaques de Bi2Te3 ont été préparés par coulée en goutte20,21,22,23. De plus, les NTC sont classés en CNT à parois multiples (MWCNT), fabriqués en 1991, et en CNT à paroi simple (SWCNT), fabriqués en 199324,25. Les MWCNT présentent des caractéristiques métalliques et les SWCNT présentent des caractéristiques métalliques ou semi-conductrices selon leur structure, qui est caractérisée par l'indice chiral (n,m)26. Les SWCNT à caractéristiques semi-conductrices ont été utilisés comme matériaux thermoélectriques27,28,29,30,31. Les performances des SWCNT sont inférieures à celles du Bi2Te3, mais les SWCNT ont d'excellentes caractéristiques, notamment la flexibilité, la résistance à la chaleur et la non-toxicité. Par conséquent, de nombreux chercheurs ont tenté d'améliorer les performances thermoélectriques des SWCNT32,33,34,35,36.

Une approche favorable pour améliorer les performances thermoélectriques consiste à fabriquer des nanocomposites à base de nanoplaques de Bi2Te3 et de SWCNT semi-conducteurs37,38,39. Jin et al. ont rapporté un matériau thermoélectrique flexible composé de nanocristaux de Bi2Te3 hautement ordonnés ancrés sur un réseau SWCNT31. Hosokawa et Takashiri et Yabuki et al. ont développé des films nanocomposites à base de nanoplaques de Bi2Te3 et de SWCNT par drop-casting suivi d'un recuit thermique40,41. Un facteur clé pour augmenter les performances thermoélectriques des nanocomposites est la qualité des SWCNT. Les SWCNT tels que synthétisés (SWCNT vierges) présentent de nombreux types de structures avec différentes longueurs et chiralités42,43. Lorsque les SWCNT optimaux avec des structures appropriées sont sélectionnés, les performances thermoélectriques des films nanocomposites à base de nanoplaques Bi2Te3 et de SWCNT peuvent être encore améliorées.

Dans cette étude, l'ultracentrifugation est effectuée pour la sélection des SWCNT. L'ultracentrifugation est connue pour sélectionner les SWCNT en fonction de leur longueur et de leur chiralité de manière évolutive44,45,46,47. Les nanoplaques de Bi2Te3 sont préparées par synthèse solvothermique. La solution de dispersion est formée avec les nanoplaques SWCNT et Bi2Te3 sélectionnées, et les films nanocomposites sont formés sur une feuille flexible en utilisant la solution par coulée en goutte, qui est un procédé humide simple et économique. À titre de comparaison, des SWCNT vierges sont utilisés pour former des films nanocomposites. La structure et les propriétés thermoélectriques des films nanocomposites sont analysées et l'efficacité de la sélection des SWCNT est évaluée.

Un diagramme schématique du processus de fabrication de films nanocomposites flexibles à base de nanoplaques de Bi2Te3 et de SWCNT est présenté à la Fig. 1. Les nanoplaques de Bi2Te3 ont été synthétisées à l'aide d'une méthode solvothermique. La configuration expérimentale détaillée a été décrite en détail dans des rapports précédents21,48. En bref, le système comprenait un autoclave en acier inoxydable avec un récipient en téflon intégré, une plaque chauffante avec un agitateur magnétique et des blocs chauffants. La solution de précurseur et le barreau d'agitation ont été placés dans un autoclave d'un volume interne de 50 cm3. Les solvants utilisés étaient Bi2O3 de qualité analytique (pureté 99,9 %, Fujifilm Wako Co.), TeO2 (pureté 99,9 %, Kojundo Chemical Laboratory), éthylène glycol (pureté 99,5 %, Fujifilm Wako Co.), polyvinylpyrrolidone (PVP) (pureté 99,9 %, Fujifilm Wako Co., K30, Ms ~ 40 000) et de l'hydroxyde de sodium (NaOH) (pureté > 97,0 %, Fujifilm Wako Chemical Co.) sans autre purification. Des nanoplaques de Bi2Te3 ont été fabriquées selon la procédure suivante : 0,4 g de PVP ont été dissous dans de l'éthylène glycol (18 mL), suivis de l'ajout de Bi2O3 (20 mM), de TeO2 (70 mM) et de 2 mL de solution de NaOH (5,0 M ). La solution de précurseur résultante a ensuite été scellée dans un autoclave. L'autoclave a ensuite été chauffé et maintenu à 200 °C pendant 4 h, sous agitation à 500 tr/min. Après la synthèse, les produits ont été laissés refroidir naturellement en dessous de 70 °C. Les produits ont ensuite été recueillis par centrifugation et lavés plusieurs fois avec de l'eau distillée et de l'éthanol absolu. Enfin, les produits sont séchés sous vide à 60°C pendant 24h.

Procédé de fabrication de films flexibles nanocomposites à base de nanoplaques de Bi2Te3 et de SWCNT sélectionnés par ultracentrifugation.

Des nanotubes de carbone à super croissance (SGCNT) (ZEONANO SG101, pureté > 99 %, ZEON) ont été utilisés comme SWCNT. La solution de dispersion a été préparée en ajoutant 0,5 % en poids de poudre de SGCNT dans 6 ml d'éthanol, puis en la dispersant de manière homogène à l'aide d'un homogénéisateur à ultrasons (Emerson SFX25) à 20 W pendant 45 min. En tant que tensioactif, 2 ml d'une solution standard de dodécylbenzène sulfonate de sodium (SDBS) (Fujifilm Wako Co.) ont été ajoutés à la solution de dispersion, puis agités à 500 tr/min pendant 30 min à l'aide d'un agitateur (AZ-1 Corporation DP-1L) . La solution de dispersion (3 ml) a été placée dans un tube à centrifuger et l'ultracentrifugation a été effectuée à une vitesse de rotation de 46 000 tr/min (force moyenne de 88 000 g) pendant 1 h. La fraction pondérale de SWCNT dans la couche de surnageant était d'environ 10 % de la quantité initiale de SWCNT utilisée dans la solution.

Les conditions du procédé de préparation des films nanocomposites ont été déterminées sur la base de notre précédent rapport40. Après ultracentrifugation, 1 mL du haut de la solution et 1 mL du bas ont été extraits, et 10 mg de nanoplaques de Bi2Te3 ont été ajoutés à chaque solution. La solution a ensuite été coulée en goutte sur un substrat de polyimide à l'aide d'une paroi métallique. Les films nanocomposites mesuraient 22 mm de long et 12 mm de large, avec une épaisseur d'environ 2 μm. Après avoir séché les films nanocomposites à l'air, ils ont été recuits thermiquement à 250 ° C pour évaporer les solvants résiduels dans les films minces et pour connecter complètement les nanoplaques Bi2Te3 et les SWCNT. Un four de chauffage a été rempli d'un mélange d'Ar (95%) et de H2 (5%) à pression atmosphérique. La température a été maintenue à 250°C pendant 1 h. Après le recuit thermique, les échantillons ont pu refroidir naturellement en dessous de 70°C dans le four. La flexibilité des films nanocomposites a été confirmée à l'aide du test de flexion. Pour évaluer l'effet de l'ultracentrifugation, des films nanocomposites composés de nanoplaques de Bi2Te3 et de SWCNT ont été préparés sans ultracentrifugation, c'est-à-dire avec des SWCNT vierges, dans les mêmes conditions de préparation.

La structure précise des nanoplaques Bi2Te3 a été analysée à l'aide de la microscopie électronique à transmission haute résolution (MET) (JEOL JEM-ARM200F) et de la diffraction électronique à zone sélectionnée (SAED) à une tension d'accélération de 200 kV. La pureté de phase et la structure cristalline des nanoplaques ont été caractérisées par diffraction des rayons X (DRX) (D8 ADVANCE) en utilisant un rayonnement Cu-Kα (λ = 0,154 nm, avec 2θ allant de 10° à 80°). La composition atomique des nanoplaques a été déterminée à l'aide d'un microanalyseur à sonde électronique (EPMA, Shimazu, EPMA-1600) et calibrée à l'aide du programme ZAF4 fourni avec l'appareil EPMA-1610.

La cristallinité et les caractéristiques des SWCNT ont été caractérisées par spectroscopie Raman avec une longueur d'onde de source laser de 532 nm (XploRA HORIBA). Les morphologies des films nanocomposites de nanoplaques de Bi2Te3 et de SWCNT ont été étudiées à l'aide de la microscopie électronique à balayage à émission de champ (Hitachi S-4800). La morphologie et la structure précises des SWCNT ont été analysées par TEM haute résolution (JEOL JEM-2100F) à une tension d'accélération de 200 kV. Les conductivités électriques dans le plan (σ) des échantillons ont été mesurées à 300 K en utilisant une méthode de sonde à quatre points (Napson RT-70V). Les coefficients Seebeck (S) dans le plan des échantillons ont été mesurés à 300 K49,50,51. Une extrémité du film était connectée à un dissipateur thermique et l'autre extrémité était connectée à un radiateur. Deux thermocouples de type K de 0,1 mm de diamètre, espacés de 13 mm, ont été pressés près du centre des films minces. La différence de température entre les thermocouples a varié de 1 à 4 K et la tension thermoélectrique a été enregistrée à des intervalles de 1 K. Le coefficient Seebeck a été estimé en fonction de la pente VK en utilisant une approximation linéaire. Le facteur de puissance dans le plan (σS2) a été obtenu à partir de la conductivité électrique mesurée expérimentalement et du coefficient Seebeck.

Une image TEM d'une nanoplaque Bi2Te3 typique est illustrée à la Fig. 2a. Les nanoplaques de Bi2Te3 présentaient une forme hexagonale régulière avec une taille latérale approximative de 1 à 2 μm. Les nanoplaques étaient suffisamment minces (moins de 50 nm) pour que le chevauchement des nanoplaques puisse être observé. Le motif SAED illustré dans l'encart de la figure 2a a été indexé sur l'axe de la zone [00l] du Bi2Te3 rhomboédrique, indiquant que la nanoplaque était monocristalline. L'image TEM haute résolution (HRTEM) dans l'encart de la Fig. 2a montre que les franges du réseau étaient également structurellement uniformes, avec un espacement de 0, 21 nm, ce qui est en bon accord avec la valeur d des (110) plans de rhomboédriques. Bi2Te3. La pureté de phase et la structure cristalline des nanoplaques de Bi2Te3 ont été examinées à l'aide d'une analyse XRD, comme le montre la figure 2b. Les pics observés dans les diagrammes XRD des nanoplaques ont été indexés au diagramme de diffraction standard de Bi2Te3 (JCPDS 15-0863). Les principaux pics ont été observés dans les plans orientés vers l'axe c (00l), (015) et (1010). Le rapport atomique des nanoplaques (Te/(Bi + Te)) déterminé par analyse EPMA était de 60,6 at.%, ce qui était très proche de la proportion stoechiométrique de 60,0 at.%. De plus, l'oxygène a été détecté dans l'analyse EPMA, indiquant soit l'adsorption de molécules d'oxygène sur la surface de la nanoplaque, soit la formation de couches d'oxyde naturel.

(a) Image TEM de nanoplaques de Bi2Te3 préparées par synthèse solvothermique. Les encarts montrent l'image HRTEM et le modèle SAED. (b) Modèles de diffraction des rayons X des nanoplaques Bi2Te3.

Les spectres Raman des SWCNT dans les solutions supérieure et inférieure sont illustrés à la Fig. 3. À titre de comparaison, les spectres Raman du SDBS sont illustrés à la figure. Les spectres Raman des SWCNT dans la solution supérieure comprenaient les pics des SWCNT et du SDBS, alors que ceux des SWCNT dans la solution inférieure ne présentaient que les pics des SWCNT, même si le processus de nettoyage des SWCNT après ultracentrifugation était le même pour les solutions du haut et du bas. Cela indique que les molécules de SDBS étaient plus fermement attachées à la surface de SWCNT dans la solution supérieure. Le rapport d'intensité des bandes G et D, IG / ID, qui montre la cristallinité des SWCNT, était de 1, 1 et 1, 3 pour les SWCNT dans les solutions supérieure et inférieure, respectivement. Par conséquent, la cristallinité des SWCNT ne variait pas significativement entre les solutions du haut et du bas. Dans l'encart de la Fig. 3, les SWCNT dans les solutions supérieure et inférieure présentaient plusieurs pics de mode respiratoire radial (RBM) dans la plage de 100 à 400 cm-1, indiquant que des SWCNT avec des distributions et des diamètres de chiralité différents existaient. Par conséquent, la cristallinité, la distribution de la chiralité et les diamètres des SWCNT n'ont pas été sélectionnés par ultracentrifugation.

Spectres Raman des SWCNT dans les solutions supérieure et inférieure. L'encart montre une analyse détaillée des modes RBM allant de 100 à 400 cm-1.

La figure 4 montre des images SEM des morphologies de surface des films nanocomposites avec des nanoplaques de Bi2Te3 et des SWCNT obtenus à partir de différentes positions dans la solution susmentionnée. À titre de comparaison, l'image SEM du film nanocomposite avec des SWCNT vierges est illustrée à la Fig. 4a. Les nanoplaques hexagonales régulières de Bi2Te3, d'un diamètre moyen d'environ 1 μm, étaient relativement bien alignées. Il y avait des variations dans le diamètre des faisceaux SWCNT, et le diamètre maximum observé était d'environ 100 nm. Les faisceaux SWCNT ont été observés par HRTEM, comme le montre l'encadré de la figure 4a. En raison de la répartition inégale des faisceaux SWCNT, les positions auxquelles les nanoplaques pouvaient être connectées étaient limitées. Lors de l'utilisation des SWCNT dans la solution supérieure (Fig. 4b), les nanoplaques de Bi2Te3 étaient relativement bien alignées sur la direction dans le plan. Les diamètres des faisceaux SWCNT étaient significativement plus petits que ceux des faisceaux SWCNT vierges, comme le montre la figure 4a. Cela indique que les faisceaux SWCNT ont été démêlés par ultracentrifugation, ce qui est révélé par l'image HRTEM dans l'encart de la figure 4b. De nombreux SWCNT minces et longs étaient uniformément attachés aux nanoplaques de Bi2Te3. Comme la longueur des SWCNT était plus longue que celle des nanoplaques, les SWCNT reliaient les nanoplaques environnantes. L'emplacement des flèches jaunes dans la figure montre les SWCNT les plus typiques. Lorsque les SWCNT de la solution inférieure ont été utilisés (Fig. 4c), des SWCNT minces ont été observés à la surface des nanoplaques et les SWCNT ont connecté les nanoplaques environnantes. Le diamètre des SWCNT dans la solution inférieure était comparable à celui des SWCNT dans la solution supérieure, ce qui a été observé par l'image HRTEM présentée dans l'encadré de la figure 4c.

Image MEB de films nanocomposites à base de nanoplaques de Bi2Te3 et de différents SWCNT. Les encarts montrent les images HRTEM de chaque SWCNT. (a) SWCNT vierges, (b) SWCNT dans la solution supérieure et (c) SWCNT dans la solution inférieure.

Les propriétés thermoélectriques des films nanocomposites sont présentées dans le tableau 1. La conductivité électrique du film avec les SWCNT de la solution supérieure était de 370 S/cm, soit environ six fois plus élevée que celle du film avec les SWCNT de la solution inférieure. Le mécanisme clair n'a pas pu être identifié. Cependant, une explication possible est que les SWCNT dans la solution supérieure étaient fermement recouverts du tensioactif résiduel, comme le montre la figure 3, et que le tensioactif résiduel a contribué à une forte connexion entre les SWCNT et les nanoplaques52. Par conséquent, les ions sodium dans les tensioactifs SDBS ont été considérés comme augmentant la conductivité électrique. L'analyse détaillée du mécanisme devrait être effectuée à l'aide d'une simulation de dynamique moléculaire dans le futur. La conductivité électrique du film avec des SWCNT vierges était également faible, peut-être parce que le trajet du courant était restreint en raison de la distribution non uniforme des faisceaux de SWCNT41. Le coefficient Seebeck du film avec les SWCNT de la solution supérieure a été présenté à une caractéristique de type n et une valeur de - 131 μV / K, ce qui était environ 10% supérieur à ceux des films avec des SWCNT de la solution inférieure et des SWCNT vierges. Le phénomène s'est produit en raison de la diminution de la résistance de contact entre les SWCNT et les nanoplaques. Le facteur de puissance du film avec les SWCNT de la solution supérieure était de 6,3 μW/(cm K2), ce qui était environ huit fois plus élevé que celui des films avec les SWCNT de la solution inférieure et les SWCNT vierges, principalement en raison de l'augmentation significative de la charge électrique. conductivité. En conséquence, en effectuant une ultracentrifugation avec le surfactant SDBS pour sélectionner les SWCNT, le facteur de puissance peut être grandement amélioré. Les propriétés thermoélectriques des films nanocomposites flexibles ont été comparées à celles des films nanocomposites flexibles rapportés dans la littérature. Le facteur de puissance des films nanocomposites de nanoplaques Bi2Te3/SWCNT (en haut) était supérieur à celui du film nanocomposite avec des SWCNT utilisant des procédés humides similaires et avec des nanofeuilles d'oxyde de graphène réduites (rGO)53,54,55. Cependant, la valeur maximale de cette étude était inférieure à la valeur (18,4 μW/(cm⋅K2) du film nanocomposite flexible utilisant une pulvérisation cathodique (procédé sec), peut-être parce que des nanoplaques fortement orientées ont été obtenues31. Par conséquent, la sélection des SWCNT par ultracentrifugation avec un tensioactif a amélioré les performances thermoélectriques via une méthode simple et rentable.Pour améliorer encore les performances, un moyen efficace consiste à améliorer l'orientation des nanoplaques en optimisant le processus.

Pour améliorer les performances thermoélectriques des films nanocomposites à base de nanoplaques de Bi2Te3 et de SWCNT, l'ultracentrifugation a été utilisée pour sélectionner les SWCNT appropriés. Après ultracentrifugation, la solution de dispersion a été divisée en deux parties, la partie supérieure et la partie inférieure, et chaque partie a été séchée. Les SWCNT de chaque partie ont été mélangés avec des nanoplaques de Bi2Te3 dans de l'éthanol et des films nanocomposites flexibles ont été préparés sur une feuille de polyimide par coulée en goutte. Le film nanocomposite fabriqué avec les SWCNT de la solution supérieure présentait une conductivité électrique supérieure à celle des films nanocomposites avec les SWCNT de la solution inférieure et les SWCNT sans ultracentrifugation. Ce phénomène s'est peut-être produit parce que le tensioactif résiduel a contribué à une forte connexion entre les SWCNT et les nanoplaques. Dans des travaux futurs, plusieurs autres approches seront étudiées plus avant pour déduire le mécanisme. Le facteur de puissance était de 6,3 μW/(cm K2), révélant qu'il s'agissait de l'un des films nanocomposites flexibles les plus performants. Par conséquent, cette étude a démontré une amélioration des performances thermoélectriques des films nanocomposites par la sélection de SWCNT par ultracentrifugation avec un tensioactif. Les résultats de cette étude peuvent soutenir l'application de films nanocomposites dans les TEG pour fournir des alimentations électriques autonomes pour les appareils IoT. D'autres recherches devraient se concentrer sur l'augmentation de la conductivité électrique tout en maintenant un coefficient Seebeck élevé.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Rojas, JP et al. Examen—La micro et la nano-ingénierie ont permis une nouvelle génération de dispositifs et d'applications de générateurs thermoélectriques. ECS J. Solid State Sci. Technol. 6, N3036–N3044 (2017).

Article CAS Google Scholar

Yamamuro, H., Hatsuta, N., Wachi, M., Takei, Y. & Takashiri, M. Combinaison de processus d'électrodéposition et de transfert pour les générateurs thermoélectriques à couches minces flexibles. Revêtements 8, 22 (2018).

Article Google Scholar

Kobayashi, A., Konagaya, R., Tanaka, S. & Takashiri, M. Structure optimisée de générateurs thermoélectriques tubulaires utilisant des couches minces Bi2Te3 de type n et Sb2Te3 de type p sur un substrat flexible pour la récupération d'énergie. Sens. Actionneurs A 313, 112199 (2020).

Article CAS Google Scholar

Kuang, N., Zuo, Z., Wang, W., Liu, R. & Zhao, Z. Optimisation des propriétés thermoélectriques et des paramètres de géométrie des générateurs thermoélectriques annulaires à couche mince utilisant le type n Bi2Te2.7Se0.3 et le type p Couches minces de Bi0.5Sb1.5Te3 pour la récupération d'énergie. Sens. Actionneurs A 332, 113030 (2021).

Article CAS Google Scholar

Madan, D., Wang, Z., Wright, PK et Evans, JW Générateurs thermoélectriques flexibles imprimés à utiliser avec de faibles niveaux de chaleur résiduelle. Appl. Énergie 156, 587–592 (2015).

Article CAS Google Scholar

Hyland, M., Hunter, H., Liu, J., Veety, E. et Vashaee, D. Générateurs thermoélectriques portables pour la récupération de la chaleur du corps humain. Appl. Énergie 182, 518–524 (2016).

Article Google Scholar

Siddique, ARM, Mahmud, S. & Van Heyst, B. Un examen de l'état de la science sur les générateurs d'énergie thermoélectrique portables (TEG) et leurs défis existants. Renouveler. Soutenir. Énergie Rev. 73, 730–744 (2017).

Article Google Scholar

Leonov, V., Torfs, T., Fiorini, P. & Hoof, CV Convertisseurs thermoélectriques de chaleur humaine pour nœuds de capteurs sans fil auto-alimentés. IEEE Sens. J. 7, 650–657 (2007).

Annonces d'article Google Scholar

Harman, TC, Paris, B., Miller, SE & Goering, HL Préparation et quelques propriétés physiques de Bi2Te3, Sb2Te3 et As2Te3. J.Phys. Chim. Solids 2, 181-190 (1957).

Article ADS CAS Google Scholar

Satterthwaite, CB & Ure, RW Jr. Propriétés électriques et thermiques de Bi2Te3. Phys. Rév. 108, 1164–1170 (1957).

Article ADS CAS Google Scholar

Fan, XA et al. Nanoplaques hexagonales Bi2Te3 et propriétés thermoélectriques des nanocomposites Bi2Te3 de type n. J.Phys. Appl. Phys. 40, 5975–5979 (2007).

Article ADS CAS Google Scholar

Liang, Y. et al. Influence de NaOH sur la formation et la morphologie des nanostructures de Bi2Te3 dans un procédé solvothermique : Des nanoplaques hexagonales aux nanoanneaux. Mater. Chim. Phys. 129, 90–98 (2011).

Article CAS Google Scholar

Hollar, C. et al. Film mince de tellurure de bismuth flexible haute performance à partir de nanoplaques colloïdales traitées en solution. Adv. Mater. Technol. 5, 2000600 (2020).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hicks, L. & Dresselhaus, MS Effet des structures à puits quantiques sur la figure de mérite thermoélectrique. Phys. Rév. B 47, 12727–12731 (1993).

Article ADS CAS Google Scholar

Venkatasubramaian, R., Siivola, E., Colpitts, T. & O'Quinn, B. Dispositifs thermoélectriques à couche mince avec des valeurs de mérite à température ambiante élevée. Nature 413, 597–602 (2001).

Annonces d'article Google Scholar

Harman, TC, Taylor, PJ, Walsh, MP & LaForge, BE Matériaux et dispositifs thermoélectriques à super-réseau à points quantiques. Sciences 297, 2229-2232 (2002).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Takashiri, M., Kai, S., Wada, K., Takasugi, S. & Tomita, K. Rôle de l'aide à l'agitation lors de la synthèse solvothermique pour la préparation de nanoplaques hexagonales en tellurure de bismuth monocristallin. Mater. Chim. Phys. 173, 213-218 (2016).

Article CAS Google Scholar

Hosokawa, Y., Tomita, K. & Takashiri, M. Croissance de nanoplaques hexagonales Bi2Te3 monocristallines avec et sans nanopores uniques lors de la synthèse solvothermique à température contrôlée. Sci. Rep. 9, 10790 (2019).

Article ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yamazaki, H., Eguchi, R. et Takashiri, M. Étude de la transition de phase du noyau critique à la nanoplaque de Bi2Te3 basée sur la croissance en spirale entraînée par dislocation de vis par synthèse solvothermique. Crist. Rés. Technol. 56, 2100153 (2021).

Article CAS Google Scholar

Wada, K., Tomita, K. & Takashiri, M. Fabrication de nanoplaques de tellurure de bismuth par synthèse solvothermique en utilisant différents alcalis et couches minces de nanoplaque par méthode d'impression. J. Crist. Croissance 468, 194–198 (2017).

Article ADS CAS Google Scholar

Hosokawa, Y., Wada, K., Tanaka, M., Tomita, K. & Takashiri, M. Effet de recuit thermique sur les propriétés structurelles et thermoélectriques de couches minces de nanoplaques hexagonales Bi2Te3 par technique de coulée en goutte. Jpn. J. Appl. Phys. 57, 02CC02 (2018).

Article Google Scholar

Mori, R. et al. Mesure de la résistance thermique aux limites et de la conductivité thermique de films de nanoplaques de Bi2Te3 monocristallin par la méthode différentielle 3ω. Appl. Phys. Express 13, 035501 (2020).

Article ADS CAS Google Scholar

Kimura, Y. et al. Synthèse solvothermique de nanoplaques Bi2(SexTe1−x)3 de type n pour couches minces thermoélectriques hautes performances sur substrats souples. Sci. Rep. 10, 6315 (2020).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Iijima, S. & Ichihashi, T. Nanotubes de carbone à coque unique de 1 nm de diamètre. Nature 363, 603–605 (1993).

Article ADS CAS Google Scholar

Iijima, S. Microtubules hélicoïdaux de carbone graphitique. Nature 354, 56–58 (1991).

Article ADS CAS Google Scholar

Karousis, N., Tagmatarchis, N. & Tasis, D. Progrès actuels sur la modification chimique des nanotubes de carbone. Chim. Rév. 110, 5366–5397 (2010).

Article CAS PubMed Google Scholar

Avery, AD et al. Réseaux de nanotubes de carbone semi-conducteurs sur mesure avec propriétés thermoélectriques améliorées. Nat. Énergie 1, 16033 (2016).

Article ADS CAS Google Scholar

Blackburn, JL et al. Transport thermoélectrique intrinsèque et extrinsèquement limité au sein de réseaux de nanotubes de carbone semi-conducteurs à paroi unique. Adv. Électron. Mater. 5, 1800910 (2019).

Article CAS Google Scholar

Nakai, Y. et al. Coefficient Seebeck géant dans un film semi-conducteur de nanotubes de carbone à paroi unique. Appl. Phys. Express 7, 025103 (2014).

Article ADS CAS Google Scholar

Ichinose, Y. et al. Résoudre le problème de compromis thermoélectrique avec des nanotubes de carbone métalliques. Nano Lett. 19, 7370–7376 (2019).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Jin, Q. et al. Bi2Te3 thermoélectrique structuré en couches flexibles sur un échafaudage de nanotubes de carbone. Nat. Mater. 18, 62–68 (2019).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Macleod, BA et al. Grands facteurs de puissance thermoélectrique de type n et p à partir de films minces de nanotubes de carbone à paroi unique semi-conducteurs dopés. Énergie Environ. Sci. 10, 2168-2179 (2017).

Article CAS Google Scholar

Hata, S. et al. Amélioration du facteur de puissance thermoélectrique de type p par calcination à basse température dans des films thermoélectriques de nanotubes de carbone contenant du polymère de cyclodextrine et du Pd. Appl. Phys. Lett. 118, 243904 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Seki, Y., Nagata, K. & Takashiri, M. Préparation facile de films de nanotubes de carbone à paroi unique thermoélectriques de type n stables à l'air avec des tensioactifs anioniques. Sci. Rep. 10, 8104 (2020).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yonezawa, S., Chiba, T., Seki, Y. & Takashiri, M. Origine des propriétés de type n dans les films de nanotubes de carbone à paroi unique avec des tensioactifs anioniques étudiés par des analyses expérimentales et théoriques. Sci. Rep. 11, 5758 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chiba, T., Amma, Y. & Takashiri, M. Générateurs thermoélectriques à nanotubes de carbone flottants sans source de chaleur. Sci. Rep. 11, 14707 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kim, K.-T. et coll. Influence des NTC sur les propriétés thermoélectriques d'un composite NTC/Bi2Te3. Carbone 52, 541–549 (2013).

Article CAS Google Scholar

Liu, Y., Du, Y., Meng, Q., Xu, J. & Shen, SZ Effets des méthodes de préparation sur les performances thermoélectriques des composites en vrac SWCNT/Bi2Te3. Matériaux 13, 2636 (2020).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ahmad, K. & Wan, C. Amélioration des performances thermoélectriques de Bi2Te3 grâce à une dispersion uniforme de nanotubes de carbone à paroi unique. Nanotechnologie 28, 415402 (2017).

Article PubMed Google Scholar

Hosokawa, Y. & Takashiri, M. Impact de la quantité de nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) dans des films nanocomposites monocristallins de nanoplaques/SWCNT de Bi2Te3 par la méthode de coulée en goutte. Jpn. J. Appl. Phys. 58, SDDG04 (2019).

Article CAS Google Scholar

Yabuki, H., Yonezawa, S., Eguchi, R. & Takashiri, M. Films thermoélectriques flexibles formés à l'aide de nanocomposites intégrés avec des nanotubes de carbone à paroi unique et des nanoplaques Bi2Te3 via la synthèse solvothermique. Sci. Rep. 10, 17031 (2020).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu, B., Wu, F., Gui, H., Zheng, M. & Zhou, C. Synthèse contrôlée par chiralité et applications de nanotubes de carbone à paroi unique. ACS Nano 11, 31–53 (2017).

Article CAS PubMed Google Scholar

Chiba, T., Seki, Y. & Takashiri, M. Corrélation entre la stabilité à l'air des propriétés thermoélectriques de type n et les défauts des nanotubes de carbone à paroi unique avec des tensioactifs anioniques. AIP Adv. 11, 015332 (2021).

Article ADS CAS Google Scholar

Arnold, MS, Green, AA, Hulvat, JF, Stupp, SI & Hersam, MC Tri des nanotubes de carbone par structure électronique en utilisant la différenciation de densité. Nat. Nanotechnologie. 1, 60–65 (2006).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Fagan, JA, Becker, ML, Chun, J. & Hobbie, EK Fractionnement de la longueur des nanotubes de carbone par centrifugation. Adv. Mater. 20, 1609-1613 (2008).

Article CAS Google Scholar

Green, AA & Hersam, MC Ultracentrifugation de nanotubes à paroi unique. Mater. Aujourd'hui 10, 59–60 (2007).

Article CAS Google Scholar

O'Connell, MJ et al. Fluorescence de bande interdite à partir de nanotubes de carbone individuels à paroi unique. Sciences 297, 593-596 (2002).

Article ADS PubMed Google Scholar

Wada, K., Tomita, K. & Takashiri, M. Propriétés thermoélectriques des couches minces de nanoplaques de tellurure de bismuth déterminées à l'aide de la spectroscopie infrarouge combinée et du calcul des premiers principes. Jpn. J. Appl. Phys. 57, 06HC02 (2018).

Article Google Scholar

Matsuoka, K., Okuhata, M. & Takashiri, M. Électrodéposition à double bain de couches minces multicouches Bi-Te/Bi-Se de type n. J. Alliages Compd. 649, 721–725 (2015).

Article CAS Google Scholar

Inamoto, T. & Takashiri, M. Étude expérimentale et des premiers principes des propriétés de transport électronique de films minces Bi2Te3 contraints sur un substrat flexible. J. Appl. Phys. 120, 125105 (2016).

Annonces d'article Google Scholar

Kudo, S., Tanaka, S., Miyazaki, K., Nishi, Y. & Takashiri, M. Analyse anisotrope de couches minces de tellurure de bismuth nanocristallin traitées par irradiation homogène par faisceau d'électrons. Mater. Trans. 58, 513-519 (2017).

Article CAS Google Scholar

Tkalya, EE, Ghislandi, M., de With, G. & Koning, CE L'utilisation de tensioactifs pour disperser les nanotubes de carbone et le graphène pour fabriquer des nanocomposites conducteurs. Courant. Avis. Interface colloïdale Sci. 17, 225-232 (2012).

Article CAS Google Scholar

Chen, Z., Lv, H., Zhang, Q., Wang, H. et Chen, G. Construction d'une nanoarchitecture ciment-barre d'armature pour un film flexible et traité en solution d'un hybride Bi2Te3 / CNT vers une faible conductivité thermique et performances thermoélectriques élevées. Carbon Energy 4, 115–128 (2021).

Annonces d'article Google Scholar

Chen, X. et al. Films thermoélectriques flexibles à base de nanofeuilles de Bi2Te3 et d'un réseau de nanotubes de carbone à hautes performances de type n. ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 5451–5459 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Ding, D., Sun, F., Xia, F. & Tang, Z. Un générateur thermoélectrique haute performance et flexible basé sur les composites traités en solution de nanofeuilles d'oxyde de graphène réduit et de nanoplaques de tellurure de bismuth. Nanoscale Adv. 2, 3244–3251 (2020).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Télécharger les références

Cette étude a été partiellement financée par JSPS KAKENHI (numéro de subvention : 20H02576) et le développement commercial de la recherche conjointe dans l'industrie et le milieu universitaire de la ville de Hiratsuka et de la Kanto Yakin Kogyo Corporation. Les auteurs tiennent à remercier H. Uchida de Zeon Corporation, E. Shindo de l'Université de Tokyo, N. Kojima, K. Tomita et M. Morikawa de l'Université de Tokai pour leur soutien expérimental.

Département des sciences des matériaux, Université Tokai, Hiratsuka, Kanagawa, 259-1292, Japon

Tomoyuki Chiba, Hayato Yabuki et Masayuki Takashiri

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

TC : enquête, visualisation, rédaction—ébauche originale, rédaction—révision et édition. HY : conceptualisation, investigation, visualisation. MT : ressources, rédaction—ébauche originale, rédaction—révision et édition, supervision, acquisition de financement.

Correspondance à Masayuki Takashiri.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui autorise l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur tout support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Chiba, T., Yabuki, H. & Takashiri, M. Performances thermoélectriques élevées de films nanocomposites flexibles à base de nanoplaques Bi2Te3 et de nanotubes de carbone sélectionnés par ultracentrifugation. Sci Rep 13, 3010 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30175-0

Télécharger la citation

Reçu : 05 juin 2022

Accepté : 17 février 2023

Publié: 21 février 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-30175-0

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

Rapports scientifiques (2023)

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.