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Balancing Effective Mass and Carrier Mobility via Ga‐Induced Multi‐Band Valley Engineering in GeTe Thermoelectrics

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作者
Jianglong Zhu,Yan Zhong,Xiang An,Huangshui Ma,Jie Zheng,Huagang Xiao,Shiyuan Zhan,Pingan Song,Min Hong,Ran Ang
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:13 (24): e74427-e74427
标识
DOI:10.1002/advs.74427
摘要

ABSTRACT Multi‐band valley engineering offers an effective route to achieving high thermoelectric performance; however, the associated increase in the density‐of‐states effective mass ( m * ) inevitably compromises carrier mobility ( µ ), posing a fundamental challenge for further enhancement of the figure of merit ( ZT ). Here, Ga doping is employed to tailor the electronic band structure in Ge 0.94 Bi 0.06 Te, inducing the simultaneous convergence of three valence band edges and the emergence of a midgap band, which markedly enhances m * and the Seebeck coefficient. Reduced electron localization arising from Ga‐Te bonding, together with interfaces featuring small lattice mismatch, effectively mitigates carrier scattering and preserves a high µ . As a result, an optimized balance between m * and µ yields an outstanding weighted mobility and power factor. Furthermore, Ga‐induced lattice vibration disorder, in synergy with engineered multi‐scale crystal defects, strongly suppresses the lattice thermal conductivity. Consequently, a high ZT exceeding 2.1 is achieved at 653 K. A single‐stage lead‐free device based on the optimized material delivers a competitive power conversion efficiency of 7.7% under a temperature difference of 440 K. This study provides new insights into the rational design of high‐performance lead‐free thermoelectric materials and devices.
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