New thermoelectric ANtimonides and Silicides With EntRopy stabilization

Omtrent 60% av det globale primærenergiforbruket går tapt under forbrennings- og varmeoverføringsprosesser. Energigjenvinning er derfor et sentralt instrument for å begrense behovet for ikke fornybar energi og redusere klimagassutslipp. Termoelektriske materialer er avgjørende for vellykket konvertering av spillvarme, men for at termoelektrisitet skal kunne bidra inn i et globalt energimarked må det utvikles radikalt nye materialer. Selv om antimonider og silisider skiller seg ut som de mest lovende bærekraftige materialsystemene, har de ennå ikke møtt til forventningene og feltet trenger alternative forskningsstrategier. ANSWER utviklet ukonvensjonelle antimonider og silisider gjennom stabilisering av konfigurasjonsuorden (entropi). Strategien innebærer å erstatte et spesifikt grunnstoff i antimonider og silisider (for eksempel sink i sinkantimonid eller mangan i mangansilisid) med mange forskjellige grunnstoffer i tilsvarende mengder (f.eks. ved å erstatte mangan eller sink med blandinger av krom, jern, kobolt, nikkel og kobber). Denne substitusjonen ga den uorden som trengs for å senke termisk transport, noe som er nøkkelen til å forbedre termoelektriske egenskaper. I tillegg til et konseptet med entropi-stabilisering brukte ANSWER en metodikk som integrerte innovative fundamentale og eksperimentelle tilnærminger for å utvikle termoelektriske materialer: (1) Valg av substituerende grunnstoffer basert på kvantemekaniskmodellering, (2) fremstilling av komplekse (flerfase) materialer, (3) undersøke de komplekse materialene på nanoskala for å identifisere uordnede krystallinske faser som skiller seg ut mhp gode termoelektriske egenskaper, (4) fremstille de identifiserte fasene i makrovolum og (5) evaluere kvantitativt de termoelektriske egenskapene på makroskala. Omfattende sammensetningsdomener har blitt undersøkt for både antimonider og silicider, og lovende bulk enfasematerialer har blitt syntetisert ved hjelp av pulvermetallurgiske teknikker. Heusler og CoSb3-relaterte antimonider viste interessant strukturell og termoelektrisk oppførsel. Når det gjelder silicider, skilte høyentropiforbindelser med MoSi2- og FeSi-strukturene seg ut som de mest interessante når det gjelder termoelektriske egenskaper. De anbefalte oppfølgingstiltakene inkluderer ytterligere finjustering av de lovende høyentropiforbindelsene basert på jordrike og ikke-giftige elementer. Dette skal oppnås gjennom nye felles søknader til nasjonale og EU-finansieringsbyråer. ANSWER muliggjorde en dypere grunnleggende innsikt i ytelsen til forbindelser stabilisert av konfigurasjonsentropi som demonstrert av de vitenskapelige publikasjonene, samt de populære formidlingsaktivitetene som oppstår fra prosjektet.

ANSWER successfully engineered high entropy silicides and antimonides employing advanced theoretical and experimental methodologies. The research strategy involved: Machine Learning and Density Functional Theory tools to guide the systematic exploration of entropy-stabilized compounds; selecting candidate phases by correlating structure, composition and thermoelectric properties; evaluating the thermoelectric behavior of bulk entropy-stabilized materials produced by advanced powder metallurgy methods; and identifying suitable composition ranges for further applied research on thermoelectric materials. The project resulted in scientific renewal and progress beyond the state of the art in the field of functional high-entropy compounds. Significant scientific results from the present work include: the demonstration of entropy stabilization of an antimonide compound; new crystal structures adopted by high-entropy compounds; interesting fundamental behavior such as inversion from p-type to n-type conduction with temperature. The ANSWER project allowed the groups involved at SINTEF and UiO to strengthen their knowledge in the fields of powder metallurgy, high entropy compounds and thermoelectric behavior. In addition, a series of theoretical tools and experimental protocols have been developed, serving as basis for further research. Dissemination was an integral part of all work packages; thus, the research concept and its results were extensively disseminated during the course of the project as attested by the scientific and popular science entries added to the National repository. Notably, two master theses were also carried out in the framework of the project. ANSWER´s results, including the still ongoing activities, will be presented to industry stakeholders interested in high entropy materials, as well as in thermoelectric applications, in a workshop to be held in June 2023. Communication with society will increase attention to sustainability, pointing the way forward.

About 60% of the global primary energy consumption is lost during combustion and heat transfer processes. Thus, energy recovery is a key instrument to restrain the growing global energy demand and lower greenhouse-gas emissions. Thermoelectric materials are critical for successful conversion of waste heat; however, radically new materials must be developed for thermoelectricity to be brought into the world energy market. The scientific community has searched for decades for suitable thermoelectric materials and, although antimonides and silicides stand out as the most promising sustainable systems, they have not yet met the expectations and the field needs alternative research strategies. ANSWER proposes engineering unconventional antimonides and silicides through stabilization by configurational entropy. The strategy involves populating sublattice(s) of antimonides and silicides with nearly-equimolar mixtures of many distinct elements. The occupancy disorder will provide the anharmonicity needed to lower thermal transport, which is key to improve the thermoelectric behavior. In addition, to the concept of entropy-stabilized covalent compounds for thermoelectricity conversion, ANSWER proposes an integrated fundamental and experimental methodology to develop thermoelectric materials: (1) design of the substitutional element set by ab-initio calculations, (2) fabrication of metastable materials followed by relaxation into near-equilibrium structures in multiphase configurations, (3) obtain correlative maps of structure-composition-thermoelectric properties by local probing to scout for disordered crystalline phases that stand out in terms of thermoelectric conversion, (4) bulk production of selected phases and (5) quantitative thermoelectric evaluation to obtain benchmark values. If successful, this project will have impact on global energy management and will give tremendous contributions to materials technology and fundamental materials science.