Thermoelectric and thermal properties of the superionic AgxCu2-xSe (x=0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.25) compounds.

M.K. Balapanov1, R.K. Ishembetov1, K.A. Kuterbekov2, M.M. Kubenova2, V.N. Danilenko3, K.S. Nazarov3, R.A. Yakshibaev1
1Bashkir State University, 32 Zaki Validi street, Ufa 450076, Russia
2L.N. Gumilyov Eurasian National University , 2 Mirzoyan street., 010008 Astana, Kazakhstan
3Institute for Metals Superplasticity Problems of the Russian Academy of Sciences, 39 S. Stepan Khalturin street, Ufa 450001, Russia
Abstract
The results of investigations of the thermoelectric and thermal properties of AgxCu2-xSe (x = 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.25) alloys are presented in the paper. The AgxCu2-xSe samples with low silver content were prepared by solid state reaction of the pure elements in argon atmosphere at 773 K temperature. The Ag0.25Cu1.75Se sample was sintered by solid phase reaction of Cu2Se and Ag2Se mixture in argon atmosphere at 673 K. At room temperature X-ray diffraction study revealed the presence of three phases in the samples: the Cu2Se orthorhombic phase, the Cu1.8Se cubic phase and the AgCuSe orthorhombic phase. The heat of the superionic phase transition in Ag0.01Cu1.99Se was measured equal to (3.5 ± 0.3) kJ / mol. For Ag0.25Cu1.75Se sample the heat of the superionic phase transition was found to be (3.1 ± 0.3) kJ / mol. In addition to intense peak of the superionic phase transition occupying the 373-423 K temperature range, the weak thermal effects for Ag0.01Cu1.99Se at 317 K, and ones for Ag0.25Cu1.75Se at 316 K and 437 K were observed too. In the investigated temperature range of 290 - 770 K the electronic conductivity σ decreases, and Zeebeck coefficient α increases with silver content in the compounds. The thermal conductivity of Ag0.03Cu1.97Se compound decreases monotonically from 0.54 to 0.34 W m-1 K-1 in the range 420 - 650 K after the superionic phase transition, resulting in thermoelectric efficiency ZT = σα2T/λ increases monotonically, reaching a value ZT = 1 at 650 K.
Received: 19 October 2016   Revised: 22 November 2016   Accepted: 30 November 2016
Views: 86   Downloads: 26
References
1.
H. Liu, X. Shi, F. Xu, L. Zhang, W. Zhang, L. Chen, Q. Li, C. Uher, T. Day, and G. J. Snyder. Nat. Mater. 11, 422 – 425 (2012). doi: 10.1038 / nmat3273
2.
S. Ballikaya, H. Chi, J. R. Salvador and C. Uher. J. Mater. Chem. A. 1, 12478 – 12484 (2013) doi: 10.1039 / c3ta12508d
3.
T. W. Day, K. A. Borup, T. Zhang, F. Drymiotis, D. R. Brown, X. Shi, L. Chen, B. B. Iversen, G. J. Snyder. Materials for Renewable and Sustainable Energy. 3, 26 — (2014) doi: 10.1007 / s40243‑014‑0026‑5
4.
Yushina L. D. Solid state chemotronics. Ekaterinburg: Ural Department of Russian Academy of Sciences (2003) 204 p. (In Russian) Юшина Л. Д. Твердотельная хемотроника. Екатеринбург: УРО РАН. 2003. 204 с.
5.
M. Kh. Balapanov, I. B. Zinnurov, G. R. Akmanova. Physics of the Solid State. 48, 1868 – 1871 (2006). doi:10.1134 / S1063783406100076
6.
A. Casu, A. Genovese, L. Manna, P. Longo, J. Buha, G. A. Botton, S. Lazar, ¶M. U. Kahaly, U. Schwingenschloegl, M. Prato, H. Li, S. Ghosh, F. Palazon, F. De Donato, S. L. Mozo, E. Zuddas, and A. Falqui. ACS Nano, 10, 2406 – 2414 (2016). DOI: 10.1021 / acsnano.5b07219
7.
M. C. Nguyen,, J. H. Choi,, X. Zhao, C. Z. Wang, Z. Zhang, K. M. Ho. Physical Review Letters, 111, 165502 (2013) doi: 10.1103 / PhysRevLett.111.165502
8.
Y. Tashiro, K. Taniguchi, H. Miyasaka. Electrochimica Acta. 210, 655 – 661 (2016). DOI: 10.1016 / j.electacta.2016.05.202
9.
W. Zhang, J. Xu, Z. Yang, S. Ding, C. Zeng, L. Chen, Q. Wang. Adv. Funct. Mater. 19, 1759 – 1766 (2009). doi: 10.1002 / adfm.200801430
10.
A. Wolf, T. Kodanek and D. Dorfs. Nanoscale, 7, 19519 – 19527 (2015). DOI: 10.1039 / C5NR05425G
11.
P. Kumar, K. Singh. Struct. Chem., 22, 103 – 110 (2011) DOI: 10.1007 / s11224‑010‑9698‑3
12.
C. M. Hessel, V. P. Pattani, M. Rasch, M. G. Panthani, B. Koo, J. W. Tunnell, B. A. Korgel. / Nano Lett. 11, 2560 – 2566 (2011). DOI: 10.1021 / nl201400z
13.
X. Liu, W.‑C. Law, M. Jeon, X. Wang, M. Liu, C. Kim, P. N. Prasad, M. T. Swihart. Adv. Health. Mat. 2, 952 – 957 (2013) DOI: 10.1002 / adhm.201200388
14.
M. A. Korzhuev, V. F. Bankina, B. F. Gruzinov, G. S. Bushmarina. Semiconductors. 23, 959 (1989). (In Russian) М. А. Коржуев, В. Ф. Банкина, Б. Ф. Грузинов, Г. С. Бушмарина. Физика и техника полупроводников. 23, 1545 – 1551 (1989).
15.
A. A. Voskanyan, P. N. Inglizyan, S. P. Lalikin, I. A. Plutto, Y. M. Shevchenko. Soviet physics. Semiconductors. (1978). (In Russian) А. А. Восканян, П. Н. Инглизян, С. П. Лалыкин, И. А. Плютто, Я. М. Шевченко. Физика и техника полупроводников. 12, 2096 – 2099 (1978).
16.
R. A. Yakshibaev, V. N. Konev, M. K. Balapanov, Sov. Phys. Solid State 26, 2189 – 2191. (1984) (In Russian) Р. А. Якшибаев, В. Н. Конев, М. Х. Балапанов. Физика твердого тела. 26, 3641 – 3645 (1984).
17.
N. Kh. Abrikosov, V. F. Bankina, L. V. Poretskaya, E. V. Skudnova, and S. N. Chizhevskaya. Poluprovodnikovye Khal’kogenidy i Splavy na Ikh Osnove (Semiconducting Chalcogenides and Alloys on Their Basis). Moscow: Nauka, 1975. (In Russian) Н. Х. Абрикосов, В. Ф. Банкина, Л. В. Порецкая, Е. В. Скуднова, С. Н. Чижевская. Полупроводниковые халькогениды и сплавы на их основе. М.: Наука, (1975). 220 с.
18.
O. Milat, Z. Vucic, B. Ruscic. Solid State Ionics 23, 37 (1987). DOI: 10.1016 / 0167 – 2738 (87) 90079 – 8
19.
S. A. Danilkin, M. Avdeev, M. Sale, T. Sakuma. Solid State Ionics. 225, 190 – 193 (2012). DOI: 10.1016 / j.ssi.2012.02.046
20.
T. Ohtani, Y. Tachibana, J. Ogura, T. Miyaka, Y. Okada, Y. Yokota. J. Alloys and Comp. 279, 136 – 141 (1998) doi: 10.1016 / S0925–8388 (98) 00674 – 4
21.
R. A Yakshibaev., V. N. Konev, N. N. Mukhamadeeva, M. Kh. Balapanov. Izv. Akad. Nauk SSSR, Neorg. Mater. 24, 501 – 503 (1988). (In Russian) R. А. Якшибаев, В. Н. Конев, Н. Н. Мухамадеева, М. Х. Балапанов. Изв. АН СССР. Неорг. мат. 24, 501 – 503 (1988).
22.
S. Miyatani. J. Phys. Soc. Japan, 34, 422 – 432 (1973). doi: 10.1143 / JPSJ.34.423
23.
V. M. Berezin, and G. P. Vyatkin. Superionnye poluprovodnikovye khal’kogenidy (Superionic Chalcogenide Semiconductors), Chelyabinsk: Yuzhno-Ural. Gos. Univ., 2001. 135 p. (In Russian) В. М. Березин, Г. П. Вяткин. Суперионные полупроводниковые халькогениды. Челябинск.: Изд. Ю. УрГУ, 2001. 135 с.
24.
D. R. Brown, T. Day, T. Caillat, and G. J. Snyder. J. of electr. mat. 42, 2014 – 2019 (2013) DOI: 10.1007 / s11664‑013‑2506‑2
25.
C. Wagner. Progr. in Sol. Chem. Phys., 7, 1 – 37 (1972). doi: 10.1016 / 0079 – 6786 (72) 90003 – 9
26.
P. Peranantham, Y. L. Jeyachandran, C. Viswanathan, N. N. Praveena, P. C. Chitra, D. Mangalaraj, and Sa. K. Narayandass. Mater. Charact. 58, 756 (2007). doi: 10.1016 / j.matchar.2006.11.019
27.
R. M. Murray, R. D. Heyding. Canadian Journal of Chemistry. 53, 878 – 887 (1975). doi: 10.1139 / v75–122
28.
K. Chrissafis, N. Vouroutzis, K. M. Paraskevopoulos, N. Frangis, C. Manolikas. J. Alloys and Comp. 385, 169 – 172 (2004) doi.10.1016 / j.jallcom.2004.04.119
29.
X. Xing-Xing, X. Wen-Jie, T. Xin-Feng and Z. Qing-Jie. Chin. Phys. B 20, 087201 (2011) doi: 10.1088 / 1674 – 1056 / 20 / 8 / 087201
30.
P. Kubaschewski, and H. Nolting. Ben Bunsen-Ges. Phys. Chem., 77, 70 – 74 (1973) DOI: 10.1002 / bbpc.19730770203
31.
N. Kh. Abrikosov, V. F. Bankina, M. A. Korzhuev, G. K. Demensky, O. A. Teplov. Sov. Phys. Solid State 25, 2911 – 2916 (1983). (In Russian) Н. Х. Абрикосов, В. Ф. Банкина, М. А. Коржуев, Г. К. Деменский, О. А. Теплов. Физика твердого тела. 25, 2911 – 2916 (1983).