Laser processing of thermoelectric nanopowders

Thermoelectric devices are presently attracting increasing interest due to their potential as a sustainable solution for heat-to-electrical energy conversion. In particular, with global warming and the related challenges of climate change, this technology could harness the potential waste heat from various industrial processes and natural sources. Besides the potential to reduce energy consumption, an efficient conversion of heat to electricity can contribute to the broader goal of reducing environmental impact and increases use of green energy solutions. Laser processing of thermoelectric materials enables the fabrication of highly customized and complex designs, optimizing performance while minimizing material waste. This process allows for the fine-tuning of microstructural properties, such as grain size and porosity, which are critical for optimizing thermal and electrical conductivity in thermoelectric applications. Additionally, laser processing enables the integration of thermoelectric materials with other components, such as heat sinks or insulating layers, in a single manufacturing process. The goal of this thesis is to design and develop a compact, portable, versatile selective laser sintering platform equipped with micrometric sample positioning that will enable the production of complex structures from thermoelectric nanopowders. A Watt-level 850 nm laser-diode-based system was tested on different samples of \ce{Bi_2Te_3} nanopowders, showing distinct energy-dependent behaviors. The selection of optimal energy conditions allowed the sinterization of a continuous controlled pattern. The realized test provided reliable parameters of sintering and proved reproducibility under the same operating conditions, even in the rapid uncontrolled thermodynamic processes that is sintering. These leaps provide a strong basis for further investigation and development of more sophisticated thermoelectric applications.

I dispositivi termoelettrici hanno conosciuto un crescente interesse grazie al loro potenziale come soluzione sostenibile per la conversione dell'energia termica in energia elettrica. Di fronte alle sfide legate al riscaldamento globale e ai cambiamenti climatici, questa tecnologia potrebbe riconvertire in energia elettrica il calore in eccesso prodotto dai più svariati processi industriali oltre che da fonti naturali. Oltre a ridurre i consumi energetici, una conversione efficiente del calore in elettricità può contribuire all’obiettivo più ampio di diminuire l’impatto ambientale e aumentare l’utilizzo di soluzioni energetiche green. La scelta di adottare una tecnologia di lavorazione dei materiali termoelettrici basata su laser consente la fabbricazione di strutture personalizzate e arbitrariamente complesse, e al contempo, nel contesto della sostenibilità, ottimizzare le prestazioni, riducendo al minimo gli sprechi di materiale. Questo approccio consente di regolare con precisione le proprietà microstrutturali, come la dimensione dei grani e la porosità, aspetti fondamentali per ottimizzare la conducibilità termica ed elettrica nelle applicazioni termoelettriche. Inoltre, il laser processing consente l'integrazione in un unico processo di fabbricazione tra materiali termoelettrici e altri componenti, come dissipatori di calore o strati isolanti. L'obiettivo della presente tesi è la progettazione e lo sviluppo di una piattaforma compatta, portatile e versatile basata sulla tecnica di selective laser sintering, completa di un sistema di movimentazione micrometrica dei campioni, per la produzione di strutture complesse partendo da nanopolveri termoelettriche. Il sistema, basato su un laser a diodi che emtte alla lunghezza d'onda di 850 nm con un potenza dell'ordine del watt, è stato testato su diversi campioni di nanopolveri di \ce{Bi_2Te_3}, mostrando comportamenti diversi dipendenti dall'energia fornita al campione.\\ E' stato dimostrato che, selezionando le migliori condizioni di energia, è possibile sinterizzare e costruire strati continui in maniera controllata. I test condotti hanno fornito dei parametri affidabili per la sinterizzazione, dimostrando quanto i risultati siano riproducibili nelle stesse condizioni operative anche nel processo termodinamico rapido e non controllato che è la sinterizzazione. Questi risultati rappresentano una solida base per ulteriori indagini e per lo sviluppo di applicazioni termoelettriche più avanzate.