Manipulating the Ge Vacancies and Ge Precipitates through Cr Doping for Realizing the High‐Performance GeTe Thermoelectric Material

热电效应 材料科学 空位缺陷 兴奋剂 热电材料 电子迁移率 合金 功勋 凝聚态物理 半导体 化学计量学 声子散射 热导率 光电子学 热力学 冶金 物理化学 化学 复合材料 物理
作者
Jing Shuai,Yang Sun,Xiaojian Tan,Takao Mori
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:16 (13) 被引量:154
标识
DOI:10.1002/smll.201906921
摘要

GeTe alloy is a promising medium-temperature thermoelectric material but with highly intrinsic hole carrier concentration by thermodynamics, making this system to be intrinsically off-stoichiometric with Ge vacancies and Ge precipitations. Generally, an intentional increase of formation energy of Ge vacancy by element substitution will lead to an effective dissolution of Ge precipitates for reduction in hole concentration. Here, an opposite direction of decreasing the formation energy of Ge vacancies is demonstrated by substituting Cr at Ge site. This strategy produces more but nearly homogenously distributed Ge precipitations and Ge vacancies, which provides enhanced phonon scattering and effectively reduces the lattice thermal conductivity. Furthermore, Cr atom carries one more electron than Ge and serves as an electron donor for decreasing the hole carrier concentrations. Further optimization incorporates the effect of Bi substitution for facilitating band convergence. A maximum figure of merit (ZT) of 2.0 at 600 K with average ZT of over 1.2 is achieved in the sample of Ge0.92 Cr0.03 Bi0.05 Te, making it one of the best thermoelectric materials for medium-temperature application.
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