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Improved Thermoelectric Performance of Cu12Sb4S13 through Gd-Substitution Induced Enhancement of Electronic Density of States and Phonon Scattering

材料科学 热电效应 电阻率和电导率 热导率 结构精修 态密度 声子散射 热电材料 X射线光电子能谱 塞贝克系数 凝聚态物理 费米能级 散射 声子 光电发射光谱学 同步辐射 晶体结构 结晶学 核磁共振 热力学 光学 物理 化学 量子力学 复合材料 电子
作者
Chen Zhu,Quan Chen,Hongwei Ming,Xiaoying Qin,Yong Yang,Jian Zhang,Di Peng,Tao Chen,Di Li,Yoshiyuki Kawazoe
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (21): 25092-25101 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acsami.1c03493
摘要

Cu12Sb4S13 has aroused great interest because of its earth-abundant constituents and intrinsic low thermal conductivity. However, the applications of Cu12Sb4S13 are hindered by its poor thermoelectric performance. Herein, it is shown that Gd substitution not only causes a significant increase in both electrical conductivity σ and thermopower S but also leads to dramatic drop in lattice thermal conductivity κL. Consequently, large ZT reaches 0.94 at 749 K for Cu11.7Gd0.3Sb4S13, which is ∼41% higher than the ZT value of undoped sample. Rietveld refinements of XRD results show that accompanying inhibition of impurity phase Cu3SbS4, the number of Cu vacancies increases substantially with substituted content x (x ≤ 0.3), which leads to reduced κL owing to intensive phonon scattering by the point defects and increased σ arising from the charged defects (VCu'). Crucially, synchrotron radiation photoelectron spectroscopy reveals substantial increment of electronic density of states at Fermi level upon Gd substitution, which is proven, by our first-principle calculations, to originate from contribution of Gd 4f orbit, resulting in enhancement of S. Our study provides us with a new path to enhance thermoelectric performance of Cu12Sb4S13.
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