1. The crucial role of selenium for sulphur substitution in the structural transitions and thermoelectric properties of Cu5FeS4 bornite
- Author
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Vivian Nassif, Bernard Raveau, Tristan Barbier, V. Pavan Kumar, Emmanuel Guilmeau, Pierric Lemoine, Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (CRISMAT), École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Institut des Sciences Chimiques de Rennes (ISCR), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes (ENSCR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA), CRG et Grands Instruments (CRG ), Institut Néel (NEEL), Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019]), ANR-10-LABX-09-01, Agence Nationale de la Recherche, Université de Caen Normandie (UNICAEN), Normandie Université (NU)-Normandie Université (NU)-École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen (ENSICAEN), Normandie Université (NU)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche sur les Matériaux Avancés (IRMA), Normandie Université (NU)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Normandie Université (NU)-Institut national des sciences appliquées Rouen Normandie (INSA Rouen Normandie), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Rouen Normandie (UNIROUEN), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Normandie Université (NU)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes (ENSCR)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), CRG & Grands instruments (NEEL - CRG), Université de Rennes 1 (UR1), Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes), and Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes (ENSCR)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
- Subjects
Chemistry ,Analytical chemistry ,Spark plasma sintering ,02 engineering and technology ,Atmospheric temperature range ,010402 general chemistry ,021001 nanoscience & nanotechnology ,01 natural sciences ,0104 chemical sciences ,Inorganic Chemistry ,Metal ,Crystallography ,Thermal conductivity ,Effective mass (solid-state physics) ,Electrical resistivity and conductivity ,visual_art ,Thermoelectric effect ,visual_art.visual_art_medium ,[CHIM]Chemical Sciences ,Orthorhombic crystal system ,0210 nano-technology - Abstract
Bornite Cu5FeS4-xSex (0 ≤ x ≤ 0.6) compounds have been synthesized, using mechanical alloying, combined with spark plasma sintering (SPS). High temperature in situ neutron powder diffraction data collected on pristine Cu5FeS4 from room temperature up to 673 K show that SPS enables the stabilization of the intermediate cubic (IC) semi-ordered form (Fm3[combining macron]m, aIC ∼ 10.98 A) at the expense of the ordered orthorhombic form (Pbca, aO ∼ 10.95 A, bO ∼ 21.86 A, cO ∼ 10.95 A) in the 300-475 K temperature range, whereas above 475 K the IC form coexists with the high temperature cubic (C) form (Fm3[combining macron]m, aC ∼ 5.50 A). The ability of Se for S substitution to induce disorder and consequently to enhance the IC phase formation is also emphasized. This disordering effect is explained by the high quenching efficiency of the SPS method compared to conventional heating. The existence of topotactic phase transformations, as well as Se for S substitution is shown to have a significant effect on the transport properties. As expected, electrical transport properties indicate a change towards a more metallic behaviour with increasing Se content. The electrical resistivity reduces from ∼21.4 mΩ cm for the pristine Cu5FeS4 to ∼3.95 mΩ cm for Cu5FeS3.4Se0.6 at room temperature. A maximum power factor of 4.9 × 10-4 W m-1 K-2 is attained at 540 K for x = 0.4 composition. The influence of selenium substitution on the carrier effective mass and mobility is discussed based on single parabolic band approximation. Furthermore, a detailed investigation of the thermal conductivity by this isovalent anion substitution reveals a significant reduction of the lattice thermal conductivity due to the alloying effect. Finally, the important role of structural transitions in the thermoelectric properties is addressed. A maximum ZT of 0.5 is attained at 540 K for Cu5FeS3.8Se0.2 composition.
- Published
- 2017
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