The Effect of ε-FeSi and Si Content on the Physical and Thermoelectric Properties of FeSix Compound

Abstract

Bulk iron-silicon compound was prepared from a mixture of Fe and Si powder with Fe/Si atomic ratios 1:2.0, 1:2.3 and 1:2.5. The mixture was heated up to 1550 °C under the argon-flow atmosphere. Phase transitions were investigated using XRD, DTA, EDS, and SEM. The thermoelectric power and electrical conductivity were measured by ZEM-2. As-grown samples consisted of ε-FeSi dispersing into α-Fe2Si5 matrix for Fe/Si atomic ratios 1:2.0 and 1:2.3. For Fe/Si atomic ratio 1:2.5 only α-Fe₂Si₅ existed. The absence of ε-phase greatly affected the DTA curves. Thermoelectric power of all as-grown samples was relatively low (less than 10 μV/K). α and ε phases were gradually transformed into a semiconducting β-FeSi₂ phase by subsequent isothermal annealing at 830 ºC or 960 ºC. The eutectoid reaction (α  β + Si) and peritectoid reaction (α + ε  β) occurred at these temperatures. The dispersion of excess Si markedly increased the thermoelectric power especially at low temperature (less than 400 ºC) while the present of metallic ε-phase markedly increased the electrical conductivity. The maximum power factor is as high as 2.86 × 10^-5 W/(m.K²) at 600 °C for FeSi_2.3 sample.

ผลของ ε-FeSi และปริมาณ Si ต่อสมบัติทางกายภาพและสมบัติทาง เทอร์โมอิเล็กทริกของสารประกอบ FeSix

สารประกอบเหล็ก-ซิลิกอน ถูกเตรียมจากการผสมผงเหล็กและซิลิกอน โดยมีอัตราส่วนของเหล็กต่อซิลิกอนเป็น 1:2.0 1:2.3 และ 1:2.5 ผงที่ผสมถูกนำไปเผาที่อุณหภูมิ 1550 °C ภายใต้บรรยากาศของอาร์กอน การเปลี่ยนเฟสถูกวิเคราะห์โดยใช้ XRD, DTA, EDS, และ SEM ค่าเทอร์โมอิเล็กทริกพาวเวอร์และสภาพนำ ไฟฟ้าถูกวัดโดยเครื่อง ZEM-2 หลังการเผา สารตัวอย่างที่มีอัตราส่วนของเหล็กต่อซิลิกอนเป็น 1:2.0 และ 1:2.3 จะพบโครงสร้างของ ε-FeSi กระจายอยู่ในโครงสร้างของ α-Fe2Si5 สำหรับสารตัวอย่างที่มีอัตราส่วนของเหล็กต่อซิลิกอนเป็น 1:2.5 จะพบโครงสร้างของ ε-Fe₂Si₅ เพียงโครงสร้างเดียว การปรากฎอยู่ของโครงสร้าง ε-FeSi ส่งผลต่อเส้นโค้ง DTA อย่างมาก ค่าเทอร์โมอิเล็กทริกพาวเวอร์ของสารตัวอย่างทุกชิ้นภายหลังการเผาจะมีค่าต่ำ (ต่ำกว่า 10 μV/K) โครงสร้าง α และ ε จะค่อยๆ เปลี่ยนไปเป็นโครงสร้างของสารกึ่งตัวนำ β-FeSi₂ โดยการอบที่อุณหภูมิ 830 ºC หรือ 960 ºC ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่เกิดปฎิกิริยายูเทคทอย (α  β + Si) และเพอริเทคทอย (α + ε  β) การกระจายของซิลิกอนในโครงสร้างของสารตัวอย่างทำให้ค่าเทอร์โมอิเล็กทริกพาวเวอร์เพิ่มขึ้นอย่างมากโดยเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำ (ต่ำกว่า 400 ºC) ในขณะที่การปรากฏโครงสร้างโลหะ ε ทำให้สภาพนำไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างมาก ค่าพาวเวอร์แฟกเตอร์ที่สูงที่สุดเท่ากับ 2.86 × 10^-5 W/(m.K²) ที่อุณหภูมิ 600 °C ของสารตัวอย่าง FeSi_2.3