Entropy Engineering of SnTe: Multi‐Principal‐Element Alloying Leading to Ultralow Lattice Thermal Conductivity and State‐of‐the‐Art Thermoelectric Performance

材料科学 热电效应 微观结构 无定形固体 高熵合金 热电材料 凝聚态物理 晶体结构 热力学 热导率 冶金 结晶学 复合材料 物理 化学
作者
Lipeng Hu,Yang Zhang,Haijun Wu,Junqin Li,Yu Li,Myles Mckenna,Jian He,Fusheng Liu,Stephen J. Pennycook,Xierong Zeng
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:8 (29) 被引量:248
标识
DOI:10.1002/aenm.201802116
摘要

Abstract The core effects of high entropy alloys distinguish high entropy alloying from ordinary multielement doping, allowing for a synergy of band structure and microstructure engineering. Here, a systematic synthesis, structural, theoretical, and thermoelectric study of multi‐principal‐element‐alloyed SnTe is reported. Toward high thermoelectric performance, the entropy of mixing needs to be high enough to make good use of the core effects, yet low enough to minimize the degradation of carrier mobility. It is demonstrated that high entropy of mixing extends the solubility limit of Mn while retaining the lattice symmetry, the enhanced Mn content elicits multiscale microstructures. The resulting ultralow lattice thermal conductivity of ≈0.32 W m −1 K −1 at 900 K in (Sn 0.7 Ge 0.2 Pb 0.1 ) 0.75 Mn 0.275 Te is not only lower than the amorphous limit of SnTe but also comparable to those thermoelectric materials with complex crystal structures and strong anharmonicity. Co‐alloying of (Sn,Ge,Pb,Mn) also enhances band convergence and band effective mass, yielding good power factors. Further tuning of the Sn excess yields a state‐of‐the‐art zT ≈1.42 at 900 K in (Sn 0.74 Ge 0.2 Pb 0.1 ) 0.75 Mn 0.275 Te. In view of the simple face‐centered‐cubic structure of SnTe‐based alloys, these results attest to the efficacy of entropy engineering toward a new paradigm of high entropy thermoelecrics.
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