Attaining ultrahigh thermoelectric performance of direction-solidified bulk n-type Bi2Te2.4Se0.6 via its liquid state treatment

材料科学 热电效应 热导率 热电材料 功勋 塞贝克系数 电阻率和电导率 制作 凝聚态物理 复合材料 光电子学 热力学 合金 病理 工程类 替代医学 物理 电气工程 医学
作者
Bin Zhu,Zhongyue Huang,Xiaoyu Wang,Yuan Yu,Lei Yang,Na Gao,Zhi‐Gang Chen,Fang‐Qiu Zu
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:42: 8-16 被引量:77
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2017.10.034
摘要

Bi2Te3-based alloys are the best thermoelectric materials near room temperature and Bi2(TeSe)3 alloys are their typical n-type ones. However, the dimensionless figure of merit ZT of the bulk Bi2(TeSe)3 is normally less than 1.0 despite various delicate and time-consuming preparations associated with complex post-treatments. Here, via liquid state manipulation (LSM), we obtained a high ZT for bulk n-type Bi2Te2.4Se0.6 ingot direction-solidified with high temperature-gradient at a suitable growth rate. With the maximum ZT = 1.22 at 477 K, its average value (1.09) between 300 and 575 K is the highest among those of all the bulk Bi2(TeSe)3 fabricated so far. Specifically, with proper structure texturing, LSM obviously raises the Seebeck coefficient due to the increased effective mass, with almost unaltered electrical conductivity. Moreover, as growth rate decreases, the enhanced texturing boosts the electrical conductivity, but raises the thermal conductivity along the growth direction. More significantly, at the same direction growth condition, LSM can increase nanoscale particles, dislocations and atomic-scale lattice distortions, resulting in substantially reduced lattice thermal conductivity. Consequently, via LSM and suitable texturing, the bulk n-type Bi2Te2.4Se0.6 with outstanding ZT is directly obtained without complex post-treatments. This work provides a novel strategy for optimizing performance of thermoelectric materials with the merit of easy large-scale fabrication.

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