Band modification towards high thermoelectric performance of SnSb2Te4 with strong anharmonicity driven by cation disorder

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作者
Hong Wu,Peng Chen,Zizhen Zhou,De Zhang,Xiangnan Gong,Bin Zhang,Yang Zhou,Kunling Peng,Yanci Yan,Guiwen Wang,Jùn Líu,Dengfeng Li,Guang Han,Guoyu Wang,Xu Lu,Xiaoyuan Zhou,Xu Lu,Xiaoyuan Zhou
出处
期刊:Journal of Materials Science & Technology [Elsevier BV]
卷期号:154: 140-148 被引量:31
标识
DOI:10.1016/j.jmst.2022.12.075
摘要

As a typical (IV–VI)x(V2VI3)y compound, the tetradymite-like layered SnSb2Te4-based compounds have attracted increasing attention in the thermoelectric community owing to the intrinsically low lattice thermal conductivity. Nevertheless, the effect of cations disorder on the inherent physical characteristics remains puzzling, and its inferior Seebeck coefficient is the bottleneck to achieving high thermoelectric performance. In this work, the thermoelectric properties of polycrystalline InxSn1−xSb2(Te1−ySey)4 (0 ≤ x ≤ 0.1, 0 ≤ y ≤ 0.15) samples are comprehensively investigated. In conjunction with the calculated band structure and experimental results, the Seebeck coefficient and power factor are markedly improved after the introduction of indium and selenium, which originates from the combined effects of the emergent resonant states and converged valence bands along with optimal carrier concentration. Additionally, compared with the ordered lattice structure, the disordered cations occupancy in SnSb2Te4 further strengthens lattice anharmonicity and reduces phonon group velocity verified by first-principles calculations, securing intrinsically low lattice thermal conductivity. Finally, a record zT value of ∼0.6 at 670 K and an average zT of ∼0.4 between 320 and 720 K are obtained in the In0.1Sn0.9Sb2Te3.4Se0.6 sample, being one of the highest zT values among SnSb2Te4-based materials. This work not only demonstrates that SnSb2Te4-based compounds are promising thermoelectric candidates, but also provides guidance for the promotion of thermoelectric performance in a broad temperature range.
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