Relating Local Structure to Thermoelectric Properties in Pb1–xGexBi2Te4

热电效应 材料科学 结晶学 物理 化学 冶金 热力学
作者
Jinfeng Dong,Yukun Liu,Jue Liu,Lei Hu,Yilin Jiang,Xian Yi Tan,Yuansheng Shi,Dongwang Yang,Kıvanç Sağlık,Ady Suwardi,Qian Li,Jing‐Feng Li,Vinayak P. Dravid,Qingyu Yan,Mercouri G. Kanatzidis
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:36 (21): 10831-10840 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.4c02649
摘要

Layered compounds have garnered widespread interest owing to their nontrivial physical properties, particularly their potential as thermoelectric materials. We systematically investigated PbBi2Te4, a compound derived from Bi2Te3 and PbTe. Synchrotron X-ray diffraction and transmission electron microscopy revealed that PbBi2Te4 adopts and maintains the R3̅m phase from 300 to 723 K, without any phase transition. Moreover, neutron pair distribution function analysis confirmed that the short-range local structure was consistent with the high-symmetry R3̅m structure. PbBi2Te4 exhibits a negative Seebeck coefficient, indicating electron-dominated transport. It has a low lattice thermal conductivity (ca. 0.6 Wm–1K–1) and a ZT value of 0.4 at 573 K. The effects of GeBi2Te4 alloying in PbBi2Te4 (Pb1–xGexBi2Te4, where x ranges from 0.0 to 0.6) were also investigated. Due to alloying-induced point defect scattering and the off-centering effects of Ge2+, the room-temperature lattice thermal conductivity decreased to 0.55 Wm–1K–1 when x = 0.5. Combined with a maintained weighted mobility (ca. 60 cm2V–1s–2), the room-temperature ZT increased to 0.28. This value could further increase to 0.65 with a reduction in lattice thermal conductivity to its lower-limit value. A high ZT of 1.0 is also predicted for pristine PbBi2Te4 at 473 K, demonstrating its potential as a near-room-temperature thermoelectric system.
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