Raised solubility in SnTe by GeMnTe2 alloying enables converged valence bands, low thermal conductivity, and high thermoelectric performance
Raised solubility in SnTe by GeMnTe2 alloying enables converged valence bands, low thermal conductivity, and high thermoelectric performance
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GeMnTe2 合金化提高了 SnTe 的溶解度，可实现价带收敛、导热率低和热电性能高
DOI：
10.1016/j.nanoen.2022.106940
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发表时间：
2022-01
期刊：
影响因子：
17.6
通讯作者：
Jun Jiang
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Qiang Zhang;Ruoyu Wang;Kun Song;Xiaojian Tan;Haoyang Hu;Zhe Guo;Gang Wu;Peng Sun;Guo-Qiang Liu;Jun Jiang
SnTe是一种很有前途的有毒PbTe的替代品，但有效掺杂剂的低固溶度限制了能带工程和热电性能优化的概念。在这里，我们证明了提高锰的溶解度限制在15%左右的SnTe-GeMnTe 2中熵系统。密度泛函理论计算表明，高掺杂分数的Mn引起了一个接近完整的价带收敛，这是负责显着提高塞贝克系数。高含量的GeMnTe 2合金化还深刻地创造了多尺度微观结构，以实现极低的晶格热导率。这些效应在850 K下产生1.4的高ZTmax和1.65 GPa的记录维氏硬度在（Sn 0.96 Sb 0.04 Te）0.7（Ge 0.5 Mn 0.5 Te）0.3中。由于其优异的热电性能和机械性能，在350 °C的温度梯度下，所制备的热电模块的转换效率为6.1%，输出功率密度为0.43 W cm-2。该研究为SnTe基组件的开发打开了大门，这对于中低温下的低品位热量收集是有希望的。
SnTe is a promising alternative of the toxic PbTe, but the concepts of band engineering and thermoelectric performance optimization are restricted by the low solid solubility of effective dopants. Here, we demonstrate a raised Mn solubility limit of around 15% in the SnTe-GeMnTe2medium-entropy system. Density functional theory calculations show that high doping fraction of Mn gives rise to a near-complete valence band convergence that is responsible for the obviously improved Seebeck coefficient. High-content GeMnTe2alloying also profoundly creates multiscale microstructure for an extreme low lattice thermal conductivity. These effects yield a highZTmaxof 1.4 at 850 K and a record Vickers hardness of 1.65 GPa in (Sn0.96Sb0.04Te)0.7(Ge0.5Mn0.5Te)0.3. Stem from excellent thermoelectric and mechanical properties, the fabricated thermoelectric module comprised of ourp-type SnTe exhibits a conversion efficiency of 6.1% and an output power density of 0.43 W cm–2under a temperature gradient of 350 °C. This study opens the door for the development of SnTe-based modules, which is promising for the low-grade heat harvest at mid-low temperature.
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