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High thermoelectric performance in metastable phase of silicon: A first-principles study

凝聚态物理 塞贝克系数 热电效应 热导率 亚稳态 材料科学 声子散射 玻尔兹曼方程 电阻率和电导率 散射 各向异性 热电材料 带隙 兴奋剂 物理 化学 光电子学 热力学 光学 复合材料 有机化学 量子力学
作者
Yongchao Rao,Changying Zhao,Shenghong Ju
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:120 (16) 被引量:10
标识
DOI:10.1063/5.0087730
摘要

In this work, both thermal and electrical transport properties of diamond-cubic Si (Si-I) and metastable R8 phases of Si (Si-XII) are comparatively studied by using first-principles calculations combined with the Boltzmann transport theory. The metastable Si-XII shows one magnitude lower lattice thermal conductivity than stable Si-I from 300 to 500 K, attributed from the stronger phonon scattering in three-phonon scattering processes of Si-XII. For electronic transport properties, although Si-XII with smaller bandgap (0.22 eV) shows a lower Seebeck coefficient, the electrical conductivities of anisotropic n-type Si-XII show considerable values along the x axis due to the small effective masses of electrons along this direction. The peaks of the thermoelectric figure of merit (ZT) in n-type Si-XII are higher than that of p-type ones along the same direction. Owing to the lower lattice thermal conductivity and optimistic electrical conductivity, Si-XII exhibits larger optimal ZT compared with Si-I in both p- and n-type doping. For n-type Si-XII, the optimal ZT values at 300, 400, and 500 K can reach 0.24, 0.43, and 0.63 along the x axis at carrier concentrations of 2.6×1019, 4.1×1019, and 4.8×1019 cm−3, respectively. The reported results elucidate that the metastable Si could be integrated to the thermoelectric power generator.
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