Layered Germanium–Selenium Compounds as Phonon–Glass Electron–Crystals: A Pathway to Enhance the Thermoelectric Performance

热电效应 材料科学 锗化合物 声子 热电材料 电子 光电子学 凝聚态物理 冶金 复合材料 热导率 物理 热力学 量子力学
作者
Zhen Tong,Yatian Zhang,Thomas Frauenheim,Traian Dumitrică
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.4c06620
摘要

The early concept of a "phonon-glass electron-crystal" for enhancing the thermoelectric figure of merit (ZT) is explored theoretically in layered Ge-Se crystals, where phonon transport exhibits glass-like behavior. Ab initio lattice dynamics and the rigid electronic band method project an ultrahigh ZT = 4.04 at 1000 K along the a axis in the high-temperature GeSe2 phase at an electron doping concentration of 1020 cm-3. Meanwhile, the low-temperature Ge4Se9 phase achieves a high ZT = 2.19 at 600 K along the a axis with an electron doping concentration of 6 × 1019 cm-3. These maximal values reflect the ultralow lattice thermal conductivity, 0.168 W m-1 K-1 (GeSe2, 1000 K) and 0.289 W m-1 K-1 (Ge4Se9, 600 K), and high power factor at optimized carrier concentrations along the a axis. Our calculations indicate a promising pathway for approaching the early concept of maximizing ZT, by tailoring carrier doping in layered crystals with glass-like phononic transport.
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