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Nanoscale pores plus precipitates rendering high-performance thermoelectric SnTe1-xSex with refined band structures

材料科学 纳米尺度 热电效应 掺杂剂 单独一对 凝聚态物理 热电材料 带隙 塞贝克系数 纳米技术 平均自由程 声子 兴奋剂 光电子学 化学物理 复合材料 光学 散射 热力学 热导率 化学 物理 有机化学 分子
作者
Min Hong,Yuan Wang,Shengduo Xu,Xun Shi,Lidong Chen,Jin Zou,Zhi‐Gang Chen
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:60: 1-7 被引量:89
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2019.03.031
摘要

Thermoelectric performance is proportional to the thermal conductivity reciprocal and power-factor, which are impacted by microstructures and electronic band structures, respectively. Herein, we study the effect of nanoscale pores on thermal conductivity. Within Cd-doped SnTe1-xSex, electron microscopy characterizations indicate the majority of pores are less than 200 nm, which is comparable to the phonon mean free path. Together with the point defects and nanoprecipitates, an ultra-low lattice thermal conductivity is obtained. Electrically, we find that the slight overdose of cation lone pair s2 character at L point of the first Brillion zone yields the energetically higher valence band edge at L point than at Σ point in rock-salt chalcogenides. As for SnTe1-xSex, Cd is a dopant free of lone pair s2 orbital. Cd doping decreases the energy offset of multivalence bands for SnTe1-xSex by partially reducing the cation lone pair s2 character. The refined band structures yield an enhanced power-factor. Combined with the decreased thermal conductivity, a figure-of-merit > 1.5 has been obtained. The demonstrated strategies of exploring nanoscale pores with size matching phonon mean free path to decrease lattice thermal conductivity and the computationally screening suitable dopants to modify band structures can enlighten the development of high-performance thermoelectric candidates in wide materials.
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