Low-Concentration Doping of 3d Transition Metals on the Thermoelectric Properties of Mg 3 (Bi, Sb) 2

材料科学 热电效应 兴奋剂 过渡金属 热电材料 冶金 塞贝克系数 电阻率和电导率 凝聚态物理 热电发电机 转变温度 化学工程
作者
Yu Tian,Yifei Guan,Fang Yu,Jichao Li,Jian Liu,Shengqing Xia
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.6c06402
摘要

While transition metal doping is widely adopted to optimize Mg3(Bi, Sb)2-based thermoelectrics, conventional high-concentration doping inevitably induces detrimental grain boundary segregation, creating a convoluted mixed effect that obscures the intrinsic regulatory roles of the dopants. To systematically unveil these fundamental impacts, we establish a low-concentration doping paradigm. By synergizing a precisely controlled low-concentration strategy with an optimized synthesis process, 3d transition metals (Mn, Fe, Co, Cu) are homogeneously incorporated into the bulk lattice without boundary enrichment. Based on this homogeneous microstructural framework, distinct doping effects are systematically revealed. Fe and Co act as highly efficient electron donors, elevating the carrier concentration to >1.5 × 1020 cm–3. In contrast, Mn fundamentally optimizes the carrier scattering mechanism via effective mass reduction, leading to a remarkable 2.6-fold enhancement in carrier mobility. Consequently, the lightly Mn-doped sample achieves an optimal balance, yielding a peak power factor of ∼30.7 μW/(K2cm) and a maximum zT of 1.03. Furthermore, this homogeneously doped sample demonstrates optimized macroscopic durability, retaining consistent electrical properties after 3-month ambient air exposure and withstanding 50 rigorous thermal shock cycles. Ultimately, this work clarifies how homogeneously incorporated dopants regulate transport properties and stabilize the crystal matrix, establishing precise low-concentration as a robust framework for high-performance and durable thermoelectrics.
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