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Nuanced dilute doping strategy enables high-performance GeTe thermoelectrics

兴奋剂 材料科学 热电材料 凝聚态物理 功勋 热电效应 声子 无定形固体 工程物理 电子迁移率 载流子 声子散射 热导率 纳米技术 光电子学 化学 结晶学 热力学 物理 复合材料
作者
Jinxuan Zhong,Xiaoyu Yang,Tu Lyu,Gege Liang,Shengnan Zhang,Chaohua Zhang,W.Q. Ao,Fusheng Liu,Pengfei Nan,Binghui Ge,Lipeng Hu
出处
期刊:Science Bulletin [Elsevier]
卷期号:69 (8): 1037-1049 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.scib.2024.02.015
摘要

In thermoelectrics, doping is essential to augment the figure of merit. Traditional strategy, predominantly heavy doping, aims to optimize carrier concentration and restrain lattice thermal conductivity. However, this tactic can severely hamper carrier transport due to pronounced point defect scattering, particularly in materials with inherently low carrier mean-free-path. Conversely, dilute doping, although minimally affecting carrier mobility, frequently fails to optimize other vital thermoelectric parameters. Herein, we present a more nuanced dilute doping strategy in GeTe, leveraging the multifaceted roles of small-size metal atoms. A mere 4% CuPbSbTe3 introduction into GeTe swiftly suppresses rhombohedral distortion and optimizes carrier concentration through the aid of Cu interstitials. Additionally, the formation of multiscale microstructures, including zero-dimensional Cu interstitials, one-dimensional dislocations, two-dimensional planar defects, and three-dimensional nanoscale amorphous GeO2 and Cu2GeTe3 precipitates, along with the ensuing lattice softening, contributes to an ultralow lattice thermal conductivity. Intriguingly, dilute CuPbSbTe3 doping incurs only a marginal decrease in carrier mobility. Subsequent trace Cd doping, employed to alleviate the bipolar effect and align the valence bands, yields an impressive figure-of-merit of 2.03 at 623 K in (Ge0.97Cd0.03Te)0.96(CuPbSbTe3)0.04. This leads to a high energy-conversion efficiency of 7.9% and a significant power density of 3.44 W cm−2 at a temperature difference of 500 K. These results underscore the invaluable insights gained into the constructive role of nuanced dilute doping in the concurrent tuning of carrier and phonon transport in GeTe and other thermoelectric materials.
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