Defect-Energy-Targeted Lattice Repair Delivers High Thermoelectric Performance in Magnesium Antimonide

化学 锑 热电效应 镁 光电子学 格子(音乐) 锑化铟 热电材料 锑化镓 热电冷却 晶格常数 凝聚态物理 热电发电机
作者
J. S. Jiang,Minhui Yuan,Yuntian Fu,Yi Huang,W. F. Li,Jingyi Lyu,Zeqing Hu,Shenghua Liu,Ran He,Yanglong Hou,Jing Shuai
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c02279
摘要

Magnesium-based Mg3(Sb,Bi)2 has emerged as a premier candidate for waste-heat recovery. However, its performance is fundamentally capped by intrinsic Mg vacancies that severely scatter carriers. Here, we overcome this bottleneck via a defect-energy-targeted lattice repair strategy, substituting labile Mg sites with homologous alkaline-earth metals (Ca, Sr, Ba). Theoretical calculations reveal that the lower electronegativity of these dopants strengthens the local metal-Sb bonding, drastically raising the vacancy formation energy from ∼0.97 to ∼2.42 eV. This thermodynamic stabilization effectively "repairs" the lattice, suppressing vacancy generation and yielding a ∼35% boost in carrier mobility without compromising carrier concentration. Simultaneously, the heavy dopants induce mass fluctuations and strain fields that, coupled with dense dislocations, minimize the lattice thermal conductivity to ∼0.4 W m-1 K-1 at 773 K. The synergy of restored charge transport and suppressed heat propagation leads to a record-high figure of merit (zT) of ∼2.1 at 773 K and an outstanding average zT of ∼1.5 in Mg3.2Ba0.005Sb1.5Bi0.49Te0.01. Remarkably, a single-leg device demonstrates a conversion efficiency of ∼14%, outperforming state-of-the-art n-type thermoelectrics. This work demonstrates that targeting defect energetics is a powerful, broadly applicable approach to breaking the performance ceilings of Zintl-phase thermoelectrics.
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