Cooperative Nanostructuring and Resonant Density-of-States Engineering Enable High-Performance n-Type PbSe Thermoelectrics

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作者
Zhilong Zhao,Qian Deng,Xiaobo Tan,Fan Feng,Jiaxing Luo,Jie Zheng,Huangshui Ma,Ting Lu,Min Hong,Ran Ang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (17): 17811-17823
标识
DOI:10.1021/jacs.6c00298
摘要

PbSe is a promising mid-temperature thermoelectric material for low-grade heat harvesting but is fundamentally limited by strong coupling between charge and phonon transport. Here, we report a coordinated nano- and atomic-scale engineering strategy to decouple electronic and phononic transport in n-type PbSe by integrating a nanoscale metallic Pb layer with Ni interstitial doping and Br substitution. Advanced electron microscopy reveals that the embedded Pb layer forms semicoherent interfaces with low-angle grain boundary characteristics, enabling strong phonon scattering while largely preserving carrier mobility. First-principles calculations demonstrate that Ni interstitials introduce a resonant density-of-states feature near the Fermi level, increasing the carrier effective mass and enhancing the Seebeck coefficient without sacrificing the electrical conductivity. As a result, a remarkable peak zT of ∼1.7 at 873 K is achieved in Pb 1.01 Ni 0.015 Se 0.998 Br 0.002, accompanied by an exceptional μ w / κ lat ratio of ∼250 × 10 2 cm 3 W –1 K V –1 s –1 and a high average power factor of ∼2.5 mW m –1 K –2 . A seven-pair thermoelectric device delivers a maximum conversion efficiency of ∼7% and a peak output power density of ∼710 W m –2 under a temperature difference of 400 K. This work establishes an effective paradigm for cooperatively optimizing electronic and phononic transport in PbSe and other thermoelectrics.
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