Improvement of Low‐Temperature zT in a Mg3Sb2–Mg3Bi2 Solid Solution via Mg‐Vapor Annealing

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作者
Max Wood,Jimmy Jiahong Kuo,Kazuki Imasato,G. Jeffrey Snyder
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:31 (35): e1902337-e1902337 被引量:214
标识
DOI:10.1002/adma.201902337
摘要

Materials with high zT over a wide temperature range are essential for thermoelectric applications. n-Type Mg3 Sb2 -based compounds have been shown to achieve high zT at 700 K, but their performance at low temperatures (<500 K) is compromised due to their highly resistive grain boundaries. Syntheses and optimization processes to mitigate this grain-boundary effect has been limited due to loss of Mg, which hinders a sample's n-type dopability. A Mg-vapor anneal processing step that grows a sample's grain size and preserves its n-type carrier concentration during annealing is demonstrated. The electrical conductivity and mobility of the samples with large grain size follows a phonon-scattering-dominated T-3/2 trend over a large temperature range, further supporting the conclusion that the temperature-activated mobility in Mg3 Sb2 -based materials is caused by resistive grain boundaries. The measured Hall mobility of electrons reaches 170 cm2 V-1 s-1 in annealed 800 °C sintered Mg3 + δ Sb1.49 Bi0.5 Te0.01 , the highest ever reported for Mg3 Sb2 -based thermoelectric materials. In particular, a sample with grain size >30 mm has a zT 0.8 at 300 K, which is comparable to commercial thermoelectric materials used at room temperature (n-type Bi2 Te3 ) while reaching zT 1.4 at 700 K, allowing applications over a wider temperature scale.
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