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Strong Phonon–Phonon Interactions Securing Extraordinary Thermoelectric Ge1–xSbxTe with Zn-Alloying-Induced Band Alignment

声子 凝聚态物理 热电效应 化学 热电材料 结晶学 物理 热力学
作者
Min Hong,Yuan Wang,Tianli Feng,Qiang Sun,Shengduo Xu,Syo Matsumura,Sokrates T. Pantelides,Jin Zou,Zhi‐Gang Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (4): 1742-1748 被引量:263
标识
DOI:10.1021/jacs.8b12624
摘要

The ability of substitution atoms to decrease thermal conductivity is usually ascribed to the enhanced phonon-impurity scattering by assuming the original phonon dispersion relations. In this study, we find that 10% SbGe alloying in GeTe modifies the phonon dispersions significantly, closes the acoustic-optical phonon band gap, increases the phonon-phonon scattering rates, and reduces the phonon group velocities. These changes, together with grain boundaries, nanoprecipitates, and planar vacancies, lead to a significant decrease in the lattice thermal conductivity. In addition, an extra 2-6% Zn alloying decreases the energy offset between valence band edges at L and Σ points in Ge1- xSb xTe that is found to be induced by the Ge 4s2 lone pairs. Since Zn is free of s2 lone pair electrons, substituting Ge with Zn atoms can consequently diminish the Ge 4s2 lone-pair characters and reduce the energy offset, resulting in two energetically merged valence band maxima. The refined band structures render a power factor up to 40 μW cm-1 K-2 in Ge0.86Sb0.1Zn0.04Te. Ultimately, a superhigh zT of 2.2 is achieved. This study clarifies the impacts of high-concentration substitutional atoms on phonon band structure, phonon-phonon scattering rates, and the convergence of electron valence band edges, which could provide guidelines for developing high-performance thermoelectric materials.
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