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Vacancy Manipulation Induced Optimal Carrier Concentration, Band Convergence and Low Lattice Thermal Conductivity in Nano‐Crystalline SnTe Yielding Superior Thermoelectric Performance

材料科学 空位缺陷 热电效应 平均自由程 有效质量(弹簧-质量系统) 兴奋剂 塞贝克系数 声子散射 热导率 热电材料 凝聚态物理 声子 带隙 晶界 散射 热力学 光电子学 复合材料 光学 微观结构 量子力学 物理
作者
Tingdong Zhang,Wenfeng Pan,Suiting Ning,N. D. Qi,Zhiquan Chen,Xianli Su,Xinfeng Tang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (10) 被引量:50
标识
DOI:10.1002/adfm.202213761
摘要

Abstract Synergetic optimization of electrical and thermal transport properties is achieved for SnTe‐based nano‐crystalline materials. Gd doping is able to suppress the Sn vacancy, which is confirmed by positron annihilation measurements and corresponding theoretical calculations. Hence, the optimal hole carrier concentration is obtained, leading to the improvement of electrical transport performance and simultaneous decrease of electronic thermal conductivity. In addition, the incremental density of states effective mass m * in SnTe is realized by the promotion of the band convergence via Gd doping, which is further confirmed by the band structure calculation. Hence, the enhancement of the Seebeck coefficient is also achieved, leading to a high power factor of 2922 µW m −1 K −2 for Sn 0.96 Gd 0.04 Te at 900 K. Meanwhile, substantial suppression of the lattice thermal conductivity is observed in Gd‐doped SnTe, which is originated from enhanced phonon scattering by multiple processes including mass and strain fluctuations due to the Gd doping, scattering of grain boundaries, nano‐pores, and secondary phases induced by Gd doping. With the decreased phonon mean free path and reduced average phonon group velocity, a rather low lattice thermal conductivity is achieved. As a result, the synergetic optimization of the electric and thermal transport properties contributes to a rather high ZT value of ≈1.5 at 900 K, leading to the superior thermoelectric performance of SnTe‐based nanoscale polycrystalline materials.
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