Characterization of Lorenz number with Seebeck coefficient measurement

塞贝克系数 简并能级 凝聚态物理 热导率 散射 热电效应 Wiedemann–Franz law 简并半导体 电阻率和电导率 材料科学 物理 声子散射 声子 兴奋剂 量子力学
作者
Hyun‐Sik Kim,Zachary M. Gibbs,Yinglu Tang,Heng Wang,G. Jeffrey Snyder
出处
期刊:APL Materials [American Institute of Physics]
卷期号:3 (4) 被引量:1570
标识
DOI:10.1063/1.4908244
摘要

In analyzing zT improvements due to lattice thermal conductivity (κL) reduction, electrical conductivity (σ) and total thermal conductivity (κTotal) are often used to estimate the electronic component of the thermal conductivity (κE) and in turn κL from κL = ∼ κTotal − LσT. The Wiedemann-Franz law, κE = LσT, where L is Lorenz number, is widely used to estimate κE from σ measurements. It is a common practice to treat L as a universal factor with 2.44 × 10−8 WΩK−2 (degenerate limit). However, significant deviations from the degenerate limit (approximately 40% or more for Kane bands) are known to occur for non-degenerate semiconductors where L converges to 1.5 × 10−8 WΩK−2 for acoustic phonon scattering. The decrease in L is correlated with an increase in thermopower (absolute value of Seebeck coefficient (S)). Thus, a first order correction to the degenerate limit of L can be based on the measured thermopower, |S|, independent of temperature or doping. We propose the equation: L=1.5+exp−|S|116 (where L is in 10−8 WΩK−2 and S in μV/K) as a satisfactory approximation for L. This equation is accurate within 5% for single parabolic band/acoustic phonon scattering assumption and within 20% for PbSe, PbS, PbTe, Si0.8Ge0.2 where more complexity is introduced, such as non-parabolic Kane bands, multiple bands, and/or alternate scattering mechanisms. The use of this equation for L rather than a constant value (when detailed band structure and scattering mechanism is not known) will significantly improve the estimation of lattice thermal conductivity.
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