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Strong Polar Optical Phonon Screening and Softening Enhance the Thermoelectric Performance of Zintl Compounds

材料科学 声子 软化 热电效应 极地的 凝聚态物理 热电材料 光电子学 纳米技术 工程物理 复合材料 热力学 热导率 天文 物理 工程类
作者
Muchun Guo,Ming Liu,Donglin Yuan,Hong Chen,Chenyue Sun,Qinyong Zhang,Yuke Zhu,Fengkai Guo,Yuan Yu,Jiehe Sui
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:15 (20) 被引量:16
标识
DOI:10.1002/aenm.202405024
摘要

Abstract Ternary CaAl 2 Si 2 ‐structure‐type Zintl compounds are promising p‐type counterparts to n‐type Mg 3 (Sb, Bi) 2 for thermoelectric energy conversion. However, many of these p‐type Zintl compounds suffer from low carrier concentration and mobility, resulting in poor thermoelectric performance. Here, it is revealed that their ultralow mobility stems from strong polar optical phonon scattering, and demonstrate that their electrical transport properties can be dramatically boosted by employing a screening effect. By employing isovalent alloying with Cd and Yb, along with Li aliovalent acceptor doping in CaMg 2 Sb 2 to increase carrier concentration and induce a strong screening effect, a significant improvement in carrier mobility and, consequently, the power factor is achieved. Moreover, isovalent alloying weakens chemical bonding, causing the softening and deceleration of both acoustic and optical phonons and, thus, a reduction in lattice thermal conductivity. As a result, a ZT of 1.1 is achieved in the Ca 0.69 Yb 0.3 Li 0.01 Mg 1.5 Cd 0.5 Sb 2 sample at 773 K, representing a 30‐fold increase compared to the pristine CaMg 2 Sb 2 . It is also proposed that the polar coupling constant can serve as a criterion for identifying materials with low intrinsic carrier concentration and mobility but with potential for thermoelectric applications facilitating the development of other thermoelectric materials beyond CaAl 2 Si 2 ‐structure‐type Zintl compounds.
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