Tailoring the structure and thermoelectric properties of BaTiO3via Eu2+ substitution

文献情報

出版日 2017-03-09
DOI 10.1039/C7CP00020K
インパクトファクター 3.676
著者

Xingxing Xiao, Marc Widenmeyer, Wenjie Xie, Tianhua Zou, Songhak Yoon, Stefano Checchia, Zhicheng Zhong, Philipp Hansmann, Stefan Kilper, Andrei Kovalevsky, Anke Weidenkaff


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要旨

A series of Ba1−xEuxTiO3−δ (0.1 ≤ x ≤ 0.9) phases with ∼40 nm particle size were synthesized via a Pechini method followed by annealing and sintering under a reducing atmosphere. The effects of Eu2+ substitution on the BaTiO3 crystal structure and the thermoelectric transport properties were systematically investigated. According to synchrotron X-ray diffraction data only cubic perovskite structures were observed. On the local scale below about 20 Å (equal to ∼5 unit cells) deviations from the cubic structure model (Pmm) were detected by evaluation of the pair distribution function (PDF). These deviations cannot be explained by a simple symmetry breaking model like in EuTiO3−δ. The best fit was achieved in the space group Amm2 allowing for a movement of Ti and Ba/Eu along 〈110〉 of the parent unit cell as observed for BaTiO3. Density functional calculations delivered an insight into the electronic structure of Ba1−xEuxTiO3−δ. From the obtained density of states a significant reduction of the band gap by the presence of filled Eu2+ 4f states at the top of the valence band was observed. The physical property measurements revealed that barium–europium titanates exhibit n-type semiconducting behavior and at high temperature the electrical conductivity strongly depended on the Eu2+ content. Activation energies calculated from the electrical conductivity and Seebeck coefficient data indicate that at high temperatures (800 K < T < 1123 K) the conduction mechanism of Ba1−xEuxTiO3−δ (0.1 ≤ x ≤ 0.9) is a polaron hopping when 0 < x ≤ 0.6 and is a thermally activated process when 0.6 < x < 1. Besides, the thermal conductivity increases with increasing Eu2+ concentration. Due to a remarkable improvement of the power factor, Ba0.1Eu0.9TiO3−δ showed a ZT value of 0.24 at 1123 K.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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