Topological Electronic Transition Contributing to Improved Thermoelectric Performance in p‐Type Mg3Sb2−xBix Solid Solutions

热电效应 材料科学 固溶体 电子结构 凝聚态物理 类型(生物学) 结晶学 物理 冶金 热力学 生态学 生物 化学
作者
Hongyao Xie,Xiaolin Wan,Yasong Wu,Chunxia Li,Fan Yan,Yujie Ouyang,Haoran Ge,Xianda Li,Yong Liu,Rui Wang,Michael Y. Toriyama,G. Jeffrey Snyder,Jiong Yang,Qingjie Zhang,Wei Liu,Xinfeng Tang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:36 (26): e2400845-e2400845 被引量:29
标识
DOI:10.1002/adma.202400845
摘要

Topological electronic transition is the very promising strategy for achieving high band degeneracy (NV) and for optimizing thermoelectric performance. Herein, this work verifies in p-type Mg3Sb2- xBix that topological electronic transition could be the key mechanism responsible for elevating the NV of valence band edge from 1 to 6, leading to much improved thermoelectric performance. Through comprehensive spectroscopy characterizations and theoretical calculations of electronic structures, the topological electronic transition from trivial semiconductor is unambiguously demonstrated to topological semimetal of Mg3Sb2- xBix with increasing the Bi content, due to the strong spin-orbit coupling of Bi and the band inversion. The distinct evolution of Fermi surface configuration and the multivalley valence band edge with NV of 6 are discovered in the Bi-rich compositions, while a peculiar two-step band inversion is revealed for the first time in the end compound Mg3Bi2. As a result, the optimal p-type Mg3Sb0.5Bi1.5 simultaneously obtains a positive bandgap and high NV of 6, and thus acquires the largest thermoelectric power factor of 3.54 and 6.93 µW cm-1 K-2 at 300 and 575 K, respectively, outperforming the values in other compositions. This work provides important guidance on improving thermoelectric performance of p-type Mg3Sb2- xBix utilizing the topological electronic transition.
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