Interplay between metavalent bonds and dopant orbitals enables the design of SnTe thermoelectrics

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作者
Guodong Tang,Yuqi Liu,Jing Wang,Yongsheng Zhang,Pengfei Nan,Pan Ying,Yaru Gong,Xuemei Zhang,Binghui Ge,Nan Lin,Xuefei Miao,Kun Song,Carl‐Friedrich Schön,Matteo Cagnoni,Dasol Kim,Yuan Yu,Matthias Wuttig
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-53599-2
摘要

Abstract Engineering the electronic band structures upon doping is crucial to improve the thermoelectric performance of materials. Understanding how dopants influence the electronic states near the Fermi level is thus a prerequisite to precisely tune band structures. Here, we demonstrate that the Sn-s states in SnTe contribute to the density of states at the top of the valence band. This is a consequence of the half-filled p-p σ-bond (metavalent bonding) and its resulting symmetry of the orbital phases at the valence band maximum (L point of the Brillouin zone). This insight provides a recipe for identifying superior dopants. The overlap between the dopant s- and the Te p-state is maximized, if the spatial overlap of both orbitals is maximized and their energetic difference is minimized. This simple design rule has enabled us to screen out Al as a very efficient dopant to enhance the local density of states for SnTe. In conjunction with doping Sb to tune the carrier concentration and alloying with AgBiTe 2 to promote band convergence, as well as introducing dislocations to impede phonon propagation, a record-high average ZT of 1.15 between 300 and 873 K and a large ZT of 0.36 at 300 K is achieved in Sn 0.8 Al 0.08 Sb 0.15 Te-4%AgBiTe 2 .
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