Substitutional and interstitial impurity p-type doping of thermoelectric Mg2Si: a theoretical study
Substitutional and interstitial impurity p-type doping of thermoelectric Mg2Si: a theoretical study
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热电Mg2Si的取代和间隙杂质p型掺杂：理论研究
DOI：
10.1080/14686996.2019.1580537
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发表时间：
2019
影响因子：
5.5
通讯作者：
Hamada Noriaki
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Hirayama Naomi;Iida Tsutomu;Sakamoto Mariko;Nishio Keishi;Hamada Noriaki
窄禁带硅化镁半导体Mg_2Si是一种很有前途的中温（600-900 K）热电材料。它本质上具有n型导电性，通常使用n型掺杂剂来改善其热电性能;然而，p型Mg 2Si的合成相对困难。在这项工作中，空穴掺杂的Mg 2Si与各种杂质原子进行第一性原理计算研究。结果表明，Ag掺杂体系在不同杂质位（Mg、Si和间隙4 b杂质位）下的形成能Δ E相当，这可以解释其p型电导率的实验不稳定性.对于引入碱金属（Li、Na和K）的系统，观察到类似的现象，因为它们对于Mg（p型）和4 b（n型）位置测定的Δ E值非常接近。在硼族元素（Ga和B）中，发现Ga对于空穴掺杂是有利的，因为它对于Si（p型）位点表现出相对小的Δ E值。此外，由于Cl和F原子的高电负性，Cl和F原子在晶格中的间隙插入导致空穴掺杂。
The narrow-gap magnesium silicide semiconductor Mg2Si is a promising mid-temperature (600–900 K) thermoelectric material. It intrinsically possesses n-type conductivity, and n-type dopants are generally used for improving its thermoelectric performance; however, the synthesis of p-type Mg2Si is relatively difficult. In this work, the hole doping of Mg2Si with various impurity atoms is investigated by performing first principles calculations. It is found that the Ag-doped systems exhibit comparable formation energies ΔEcalculated for different impurity sites (Mg, Si, and interstitial 4b ones), which may explain the experimental instability of their p-type conductivity. A similar phenomenon is observed for the systems incorporating alkali metals (Li, Na, and K) since their ΔEvalues determined for Mg (p-type) and 4b (n-type) sites are very close. Among boron group elements (Ga and B), Ga is found to be favorable for hole doping because it exhibits relatively small ΔEvalues for Si (p-type) sites. Furthermore, the interstitial insertion of Cl and F atoms into the crystal lattice leads to hole doping because of their high electronegativity.
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