Low thermal conductivity and good thermoelectric performance in mercury chalcogenides

热电效应 热导率 热电材料 塞贝克系数 材料科学 凝聚态物理 电阻率和电导率 功勋 声子 热力学 光电子学 物理 复合材料 量子力学
作者
Jianye Liu,Yinchang Zhao,Zhenhong Dai,Jun Ni,Sheng Meng
出处
期刊:Computational Materials Science [Elsevier BV]
卷期号:188: 110192-110192
标识
DOI:10.1016/j.commatsci.2020.110192
摘要

Thermoelectric (TE) property refers to converting thermal energy into electrical energy via Seebeck effect. Theoretically, the presence of a low thermal conductivity and a high thermoelectric power factor in a same material promises a good thermoelectric performance. In this paper, we investigate the thermal transport and thermoelectric properties of crystalline mercury chalcogenides (HgX, X = O, S, Se, Te) based on first-principles calculations combined with Boltzmann transport equation and electron–phonon interaction (EPI). Remarkably, the calculated lattice thermal conductivity κL of the semiconducting mercury chalcogenides (α-HgO and α-HgS) are fairly low (κL~0.60 W/mK at 300 K, which is about 38% of the value for the typical thermoelectric material PbTe), while the corresponding power factors S2σ for α-HgS are relatively high, which, as a result, leads to a good thermoelectric performance in α-HgS, with the thermoelectric figure of merit ZT even exceeding 1.28. However, the highest ZT of α-HgO is only 0.58 due to the relatively low S2σ. For comparison, the lattice thermal conductivity κL of the semimetallic mercury chalcogenides (β-HgS, β-HgSe, and β-HgTe) are much higher than that of PbTe, limiting the applications in thermoelectricity. These results indicate that semiconducting mercury chalcogenides may be potential candidates for the design of thermoelectric generators.
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