Designing high-performance thermoelectrics in two-dimensional tetradymites

非谐性 热电材料 材料科学 声子 热电效应 极化率 功勋 布里渊区 凝聚态物理 热导率 功率因数 光电子学 工程物理 热力学 功率(物理) 复合材料 物理 量子力学 分子
作者
Nguyen Tuan Hung,Ahmad R. T. Nugraha,Riichiro Saito
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:58: 743-749 被引量:74
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2019.02.015
摘要

Abstract The search for new thermoelectric materials has been of great interest in recent years because thermoelectrics offers useful applications in next-generation vehicles that can directly convert waste heat to electricity. Two-dimensional (2D) tetradymites with M2X3 compounds, in which M (Bi) and X (Te, Se, S) are a group-V metal and group-VI anion, respectivety, are theoretically investigated in this study. Their energy bands are characterized by small energy gaps, high group velocities, small effective masses, nonparabolic bands and multi-valleys convergence at near the center of the Brillouin zone, which are favorable conditions for high power factor with the optimum power factor values can be up to 0.20 – 0.25  W/mK2 at room temperature. Moreover, the 2D M2X3 contains heavy atomic masses and high polarizability of some chemical bonds, leading to small group velocities of phonons and anharmonic phonon behavior that produce an intrinsic lattice thermal conductivity as low as ∼ 1.5 – 2.0  W/mK at room temperature. We find that by mixtures of M and X atoms, such as Bi2Te2Se, the power factor further increases whereas the lattice thermal conductivity decreases. This design gives a high figure of merit of the p-type 2D Bi2Te2Se from 1.4 to 2.0 at operating temperature within 300 − 500  K.
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