Realizing Excellent Structural and Thermoelectric Performance in Mg3Sb2-Based Alloys by Manipulating Mg Intrinsic Migration Kinetics with Interstitial Ni Doping

热电效应 材料科学 兴奋剂 密度泛函理论 热电材料 间质缺损 空位缺陷 凝聚态物理 化学物理 纳米技术 光电子学 热力学 复合材料 计算化学 热导率 化学 物理
作者
Zihao Li,Congli Sun,Xiangyu Li,Xianfeng Ye,Kangkang Yang,Xiaolei Nie,Wenyu Zhao,Qingjie Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (19): 23447-23456 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsami.3c02351
摘要

N-type Mg3Sb2 is attracting increasing focus for its outstanding room-temperature (RT) thermoelectric (TE) performance; however, achieving reliable n-type conduction remains challenging due to negatively charged Mg vacancies. Doping with compensation charges is generally used but does not fundamentally resolve the high intrinsic activity and easy formation of Mg vacancies. Herein, a robust structural and thermoelectric performance is obtained by manipulating Mg intrinsic migration activity by precisely incorporating Ni at the interstitial site. Density functional theory (DFT) indicates that a strong performance originates from a significant thermodynamic preference for Ni occupying the interstitial site across the complete Mg-poor to -rich window, which dramatically promotes the Mg migration barrier and kinetically immobilizes Mg. As a result, the detrimental vacancy-associated ionized scattering is eliminated with a leading room-temperature ZT up to 0.85. This work reveals that interstitial occupation in Mg3Sb2-based materials is a novel approach promoting both structural and thermoelectric performance.

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