Rational band engineering and structural manipulations inducing high thermoelectric performance in n-type CoSb3 thin films

材料科学 热电效应 薄膜 兴奋剂 塞贝克系数 掺杂剂 热电材料 光电子学 带隙 溅射沉积 费米能级 纳米技术 凝聚态物理 热导率 溅射 复合材料 电子 热力学 物理 量子力学
作者
Zhuanghao Zheng,Xiao‐Lei Shi,Dongwei Ao,Wei‐Di Liu,Guangming Chen,Fu Li,Shuo Chen,Xiaoqing Tian,Xinru Li,Jing‐Yi Duan,Hongli Ma,Xianghua Zhang,Guangxing Liang,Ping Fan,Zhi‐Gang Chen
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:81: 105683-105683 被引量:93
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105683
摘要

Owing to the earth-abundancy, eco-friendliness and high thermoelectric performance, CoSb3 skutterudites have been employed in thermoelectric devices with a high energy conversion efficiency. However, the thermoelectric performance of CoSb3-based thin films is still relatively low within the medium temperature range. In this work, we report a record high ZT of ~0.65 at 623 K in the n-type Ag/In co-doped CoSb3 thin films, fabricated by a facile magnetron sputtering technique. Extensive characterizations and computational results indicate both Ag and In as fillers prefer to occupy the interstitial sites in the CoSb3 lattice. A 0.2% Ag doping induces impurity states in the band structure of CoSb3, boosts the density-of-states near the Fermi level and enhances the absolute Seebeck coefficient up to ~198 μV K−1. Simultaneously, a 4.2% In doping further tunes the bandgap, increases the electrical conductivity up to ~75 S cm−1, and contributes to an optimized power factor of ~2.94 μW cm−1 K−2 at 623 K. In addition, these interstitial dopants accompanying with dense grain boundaries contribute an ultra-low thermal conductivity of ~0.28 W m−1 K−1 at 623 K, leading to a high ZT in the film system. This work demonstrates that rational band engineering and structural manipulations can achieve high performance in n-type CoSb3-based thin films, which possess full potential for applying to miniature thermoelectric devices.
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