Abstract In the interest of the sustainable development of society, it is preferable to construct next-generation thermoelectric devices using materials from earth-abundant elements. In conventional thermoelectric devices for low temperature applications, Bi2Te3-based materials that consists of scarce elements have been used. Cubic strontium disilicide (SrSi2) is a potential thermoelectric material for low temperature applications that consists of earth-abundant elements. To enhance the value of dimensionless thermoelectric figure of merit ZT of cubic SrSi2, partial substitution of Sr atoms with Ba atoms was examined. Cubic Ba-substituted SrSi2, Sr1-xBaxSi2 (x = 0.00, 0.09, and 0.19), was synthesized by spark plasma sintering at 250 MPa and 1023 K, and its thermoelectric properties, such as electrical resistivity ρ, Seebeck coefficient S, and thermal conductivity κ, were measured at temperatures ranging from 10 to 380 K. The sample with Ba content x above the Ba solid solubility limit in cubic SrSi2 (0.13) was successfully synthesized. With increasing x, ρ, and S increase while κ decreases, leading to an increase of ZT with x. ZT exhibits a maximum at a temperature Tmax, which shifts from 313 to 357 K when x increases from 0 to 0.19. The maximum ZT value for cubic Sr0.81Ba0.19Si2 in the present study was calculated to be 0.21 at 357 K. The ZT value obtained is higher than previously reported values for cubic Sr1-xBaxSi2 and cubic Sr1-xCaxSi2. These results demonstrate that cubic SrSi2 has properties suitable for low temperature applications.

中文翻译：

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立方钡取代的二硅化锶 Sr1-Ba Si2 的热电性能，其中 Ba 含量高于固溶度极限

摘要 为了社会的可持续发展，最好使用地球上丰富的元素材料来构建下一代热电装置。在用于低温应用的传统热电器件中，已经使用了由稀有元素组成的基于 Bi2Te3 的材料。立方二硅化锶 (SrSi2) 是一种潜在的低温应用热电材料，由地球上丰富的元素组成。为了提高立方 SrSi2 的无量纲热电品质因数 ZT 的值，研究了用 Ba 原子部分取代 Sr 原子。立方 Ba 取代的 SrSi2、Sr1-xBaxSi2（x = 0.00、0.09 和 0.19）是通过在 250 MPa 和 1023 K 下通过放电等离子体烧结合成的，其热电性能，如电阻率 ρ、塞贝克系数 S、和热导率 κ 在 10 到 380 K 的温度范围内测量。成功合成了 Ba 含量 x 高于 Ba 在立方 SrSi2 (0.13) 中固溶度极限的样品。随着 x 的增加，ρ 和 S 增加，而 κ 减小，导致 ZT 随 x 增加。ZT 在温度 Tmax 处表现出最大值，当 x 从 0 增加到 0.19 时，该温度从 313 K 变为 357 K。本研究中立方 Sr0.81Ba0.19Si2 的最大 ZT 值在 357 K 下计算为 0.21。获得的 ZT 值高于先前报道的立方 Sr1-xBaxSi2 和立方 Sr1-xCaxSi2 值。这些结果表明立方 SrSi2 具有适用于低温应用的特性。成功合成了 Ba 含量 x 高于 Ba 在立方 SrSi2 (0.13) 中固溶度极限的样品。随着 x 的增加，ρ 和 S 增加，而 κ 减小，导致 ZT 随 x 增加。ZT 在温度 Tmax 处表现出最大值，当 x 从 0 增加到 0.19 时，该温度从 313 K 变为 357 K。本研究中立方 Sr0.81Ba0.19Si2 的最大 ZT 值在 357 K 下计算为 0.21。获得的 ZT 值高于先前报道的立方 Sr1-xBaxSi2 和立方 Sr1-xCaxSi2 值。这些结果表明立方 SrSi2 具有适用于低温应用的特性。成功合成了 Ba 含量 x 高于 Ba 在立方 SrSi2 (0.13) 中固溶度极限的样品。随着 x 的增加，ρ 和 S 增加，而 κ 减小，导致 ZT 随 x 增加。ZT 在温度 Tmax 处表现出最大值，当 x 从 0 增加到 0.19 时，该温度从 313 K 变为 357 K。本研究中立方 Sr0.81Ba0.19Si2 的最大 ZT 值在 357 K 下计算为 0.21。获得的 ZT 值高于先前报道的立方 Sr1-xBaxSi2 和立方 Sr1-xCaxSi2 值。这些结果表明立方 SrSi2 具有适用于低温应用的特性。当 x 从 0 增加到 0.19 时，它从 313 变为 357 K。本研究中立方 Sr0.81Ba0.19Si2 的最大 ZT 值在 357 K 时计算为 0.21。获得的 ZT 值高于先前报道的立方 Sr1-xBaxSi2 和立方 Sr1-xCaxSi2 值。这些结果表明立方 SrSi2 具有适用于低温应用的特性。当 x 从 0 增加到 0.19 时，它从 313 变为 357 K。本研究中立方 Sr0.81Ba0.19Si2 的最大 ZT 值在 357 K 下计算为 0.21。获得的 ZT 值高于先前报道的立方 Sr1-xBaxSi2 和立方 Sr1-xCaxSi2 值。这些结果表明立方 SrSi2 具有适用于低温应用的特性。