Band Flattening and Strain Field Assists an Excellent Thermoelectric Performance of n‐type Bi2Se3 for Room to Mid‐Temperature Application

材料科学 兴奋剂 热电效应 硫系化合物 热导率 凝聚态物理 声子 声子散射 带隙 热电材料 分析化学(期刊) 光电子学 热力学 冶金 化学 复合材料 物理 色谱法
作者
V. Vijay,K. Shanmugasundaram,J. Archana,M. Navaneethan
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202410622
摘要

Abstract Bismuth selenide, (Bi 2 Se 3 ) is a typical n‐type V‐VI chalcogenide‐based thermoelectric (TE) material with high lattice thermal conductivity, which limits its TE performance. Single element doping is generally adopted to enhance the TE performance, since it is not affect significantly. Herein, it is revealed that the impact of the co‐doping strategy boost the TE performance of Bi 2 Se 3 through tuning the band structure and phonon transport properties. The synergy of isovalent Ga (gallium) and aliovalent Ge (germanium) co‐doping produces a noteworthy improvement in carrier tuning from −1.1 × 10 18 to −3.56 × 10 18 cm −3 . Bi 1.95 Ga 0.05 Ge 0.033 Se 3 sample reached the enhanced power factor of 1403 µWm −1 K −2 obtained at 303 K. The reduced low lattice thermal conductivity of 0.24 Wm −1 K −1 is occurred by the multi‐scale phonon scattering mechanisms through the dissemination of strain field raised from various defects. The combined strategy of flat band structure and low lattice thermal conductivity significantly optimized the thermoelectric zT of 0.7 is achieved at 513 K and the highest zT average of 0.68 is obtained. The maximum zT values leads to attain a theoretical efficiency of 5.9% in the temperature range between 333–573 K. This work shows a practical approach to improve the zT of n‐type Bi 2 Se 3 via co‐doping.

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