High Thermoelectric Performance in n-Type Polycrystalline SnSe via Dual Incorporation of Cl and PbSe and Dense Nanostructures

材料科学 热电效应 微晶 纳米结构 对偶(语法数字) 纳米技术 热电材料 光电子学 复合材料 冶金 热导率 热力学 物理 文学类 艺术
作者
Joonil Cha,Chongjian Zhou,Yong Kyu Lee,Sung‐Pyo Cho,In Jae Chung
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (24): 21645-21654 被引量:52
标识
DOI:10.1021/acsami.9b08108
摘要

Despite extensive studies on emerging thermoelectric material SnSe, its n-type form is largely underdeveloped mainly due to the difficulty in stabilizing the carrier concentration at the optimal level. Here, we dually introduce Cl and PbSe to induce n-type conduction in intrinsic p-type SnSe. PbSe alloying enhances the power factor and suppresses lattice thermal conductivity at the same time, giving a highest thermoelectric figure of merit ZT of 1.2 at 823 K for n-type polycrystalline SnSe materials. The best composition is Sn0.90Pb0.15Se0.95Cl0.05. Samples prepared by the solid-state reaction show a high maximum ZT (ZTmax) ∼1.1 and ∼0.8 parallel and perpendicular to the press direction of spark plasma sintering, respectively. Remarkably, post-ball milling and annealing processes considerably reduce structural anisotropy, thereby leading to a ZTmax ∼1.2 along both the directions. Hence, the direction giving a ZTmax is controllable for this system using the specialized preparation methods for specimens. Spherical aberration-corrected scanning transmission electron microscopic analyses reveal the presence of heavily dense edge dislocations and strain fields, not observed in the p-type counterparts, which contribute to decreasing lattice thermal conductivity. Our theoretical calculations employing a Callaway–Debye model support the experimental results for thermal transport and microscopic structures.
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