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Phonon Dynamics and Carrier-Mobility Engineering in Gd-Doped Bi2Se3 Nanoflakes for Thermoelectric Applications

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作者
Krishna S. Kumar,Arun Kumar,J. Archana,M. Navaneethan,Senthil Kumar Eswaran
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:8 (37): 17959-17967
标识
DOI:10.1021/acsanm.5c02977
摘要

Bismuth selenide (Bi2Se3) has attracted considerable interest as a lead-free, environmentally benign thermoelectric (TE) material for near-room-temperature applications. Despite extensive research, Bi2Se3 has yet to achieve a thermoelectric figure of merit (zT) exceeding unity, primarily due to intrinsic limitations in its thermal and electronic transport properties. In this work, we report on the thermoelectric performance of Gd-doped Bi2Se3 nanoflakes synthesized via a hydrothermal process and spark plasma sintering (SPS). Temperature-dependent thermal transport measurements revealed a significant reduction in total thermal conductivity, to nearly ∼30%, reaching 0.69 W/mK at 453 K for the 2 mol % Gd-doped Bi2Se3. Raman spectroscopy confirmed significant optical phonon softening and a decrease in the interatomic force constant upon Gd doping. Further, sound velocity measurements confirmed the enhanced lattice anharmonicity, contributing to the suppression of lattice thermal conductivity. The 1 mol % Gd-doped Bi2Se3 exhibited an enhanced power factor of 256 × 10−6 W/mK2 due to optimized carrier mobility and an improved balance between electrical conductivity and Seebeck coefficient. This results in a peak zT of 0.14 at 453 K. These findings demonstrate the importance of rare-earth doping in simultaneously tuning phonon and charge transport, offering a promising pathway for improving the performance of Bi2Se3-based thermoelectric materials.
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