Insights into Low Thermal Conductivity in Inorganic Materials for Thermoelectrics

热电材料 热电效应 非谐性 声子散射 声子 热导率 工程物理 纳米技术 化学 化学物理 材料科学 凝聚态物理 热力学 物理 复合材料
作者
Tanmoy Ghosh,Moinak Dutta,Debattam Sarkar,Kanishka Biswas
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (23): 10099-10118 被引量:115
标识
DOI:10.1021/jacs.2c02017
摘要

Efficient manipulation of thermal conductivity and fundamental understanding of the microscopic mechanisms of phonon scattering in crystalline solids are crucial to achieve high thermoelectric performance. Thermoelectric energy conversion directly and reversibly converts between heat and electricity and is a promising renewable technology to generate electricity by recovering waste heat and improve solid-state refrigeration. However, a unique challenge in thermal transport needs to be addressed to achieve high thermoelectric performance: the requirement of crystalline materials with ultralow lattice thermal conductivity (κL). A plethora of strategies have been developed to lower κL in crystalline solids by means of nanostructural modifications, introduction of intrinsic or extrinsic phonon scattering centers with tailored shape and dimension, and manipulation of defects and disorder. Recently, intrinsic local lattice distortion and lattice anharmonicity originating from various mechanisms such as rattling, bonding heterogeneity, and ferroelectric instability have found popularity. In this Perspective, we outline the role of manipulation of chemical bonding and structural chemistry on thermal transport in various high-performance thermoelectric materials. We first briefly outline the fundamental aspects of κL and discuss the current status of the popular phonon scattering mechanisms in brief. Then we discuss emerging new ideas with examples of crystal structure and lattice dynamics in exemplary materials. Finally, we present an outlook for focus areas of experimental and theoretical challenges, possible new directions, and integrations of novel techniques to achieve low κL in order to realize high-performance thermoelectric materials.
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