Enhanced Cryogenic Thermoelectric Performance of Textured Bi1–xSbx Ribbons with Electronic Phase Transition

材料科学 塞贝克系数 热电效应 热电材料 凝聚态物理 兴奋剂 相(物质) 熔融纺丝 费米能级 光电子学 热导率 电子 复合材料 热力学 化学 物理 有机化学 量子力学 纤维
作者
Jian Wang,Lijun Zhai,Wen Zhang,Shiyue Guo,Fan Zhang,Hongxia Liu,Zhigang Sun
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (51): 70555-70565
标识
DOI:10.1021/acsami.4c16642
摘要

Bi1–xSbx alloys are promising cryogenic thermoelectric materials for generator and refrigeration devices at temperatures below 200 K. Herein, we prepared highly (00l) textured Bi1–xSbx (x = 0–0.05) ribbons by a melt-spinning technique and tuned its band structure with a Dirac electronic phase transition via Sb doping for improving the thermoelectric performance. The results indicate that the lamellar grains with (00l) orientation facilitate the alignment of the Fermi pocket of ribbon samples and cause a higher Seebeck coefficient compared with the nonoriented Bi1–xSbx bulk. Meanwhile, the Fermi level of Bi1–xSbx ribbons moves down by Sb doping, inducing the decrease of the carrier concentration and the increment of the Seebeck coefficient. Particularly, the Dirac electron phase is modulated when x reaches 0.04, which enlarges the carrier mobility and results in a well-maintained conductivity. Therefore, the optimized transport properties yield a large power factor of 61.1 μW·cm–1·K–2 at 140 K for the x = 0.04 sample, a significant 65% increase compared to the x = 0 ribbon. Besides, a planar thermoelectric device composed of 8 legs was assembled with the optimized ribbon, which produces a high open-circuit voltage of 39.8 mV. The output power maximum and the corresponding power density reach up to 402 nW and 125.7 μW·cm–2 under a temperature gradient of 80 K, respectively. Our work suggests that modulating the Dirac phase transition can effectively enhance the thermoelectric performance of Bi1–xSbx alloys.
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