Sintesi e caratterizzazione di leghe Heusler per applicazioni termoelettriche

In the first part of this work, a brief review of the theory of thermoelectricity will be performed, and the origin of this interesting phenomenon will be discussed in a qualitatively way using both a classical approach based on thermodynamic considerations. Also a semi-classical method in which the effect will be analyzed using hints of Fermi-Dirac statistics. The typical parameters and figures of merit that are used to describe thermoelectricity will be also presented with the purpose to understand how the modification of these can affect the thermoelectric (TE) performances; moreover, the effect of phonon scattering and magnetic fields on TE behavior will be analyzed. Later, a series of well known thermoelectric materials will be explored paying particular attention to Heusler and half-Heusler compounds with their electronic, TE, and magnetic properties; furthermore, several possible candidates for new TE Heusler alloys will be proposed. The conclusion of the first part will be finally a simple analysis of the practical point of view where it will be performed a brief discussion on the design and the assembly of thermoelectric generator units. In the second part, it will be presented the experimental work. First, an attempt to regroup all of the half-Heusler alloys in a single map that could possibly predict (or at least catalog) which combination of elements can lead to the formation of this particular compounds will be performed. Secondly, the outcome of the attempt to synthesize new Heusler alloys starting from new combinations of elements will be discussed, paying particular attention on Fe and Co based alloys. Last, they will be shown the results of the measurements of the thermoeletric properties and the characterization of the Co2ZrSn and Co2HfSn Heusler alloys.

Nella prima parte di questo lavoro, verrà eseguita una breve rassegna della teoria della termoelettricità e l'origine di questo interessante fenomeno sarà discussa in modo qualitativo utilizzando sia un approccio classico basato su considerazioni termodinamiche. Il fenomeno verrà analizzato anche usando un metodo semi-classico basato sulla statistica di Fermi-Dirac. I parametri tipici e le figure di merito utilizzati per descrivere la termoelettricità saranno inoltre presentati con lo scopo di comprendere come la modifica di questi può influenzare le prestazioni termoelettriche (TE); inoltre, saranno analizzati gli effetti dello scattering dei fononi e dei campi magnetici sul comportamento termoelettrico. Successivamente, verranno esplorati una serie di noti materiali termoelettrici prestando particolare attenzione ai composti Heusler e semi-Heusler con le loro proprietà elettroniche, TE e magnetiche; inoltre, saranno proposti diversi possibili candidati per le nuove leghe Heusler. La conclusione della prima parte sarà infine una semplice analisi del punto di vista pratico in cui verrà eseguita una breve discussione sulla progettazione e l'assemblaggio di generatori termoelettrici. Nella seconda parte verrà presentato il lavoro sperimentale. In primo luogo, verrà esposto un tentativo di raggruppare tutte le leghe semi-Heusler in un'unica mappa che potrebbe prevedere (o almeno catalogare) quale combinazione di elementi può portare alla formazione di questi particolari composti. In secondo luogo, verrà discusso l'esito del tentativo di sintetizzare nuove leghe Heusler a partire da nuove combinazioni di elementi, prestando particolare attenzione alle leghe a base di Fe e Co. Infine, verranno mostrati i risultati delle misurazioni delle proprietà termoelettriche e della caratterizzazione delle leghe Heusler Co2ZrSn e Co2HfSn.