High thermoelectric performance is generally achieved in solid-solution alloyed or heavily doped semiconductors. The consequent atomic disorder has a trade-off in the thermoelectric figure of merit, zT: lattice thermal conductivity decreases with increasing disorder, but charge carrier mobility also reduces simultaneously. Herein, we demonstrate a strategy to optimize disorder rooted in the thermodynamic phase diagram and achieve a maximum zT = 2.3 in Ag vacant Ag_1−xSbTe₂. The formation of AgSbTe₂ in the Ag₂Te–Sb₂Te₃ pseudo-binary phase-space causes the precipitation of Ag₂Te impurities due to thermodynamic instabilities. We show that Ag vacancies partially remove the disorder from the cation sub-lattice along with the suppression of the secondary Ag₂Te impurities. Consequently, the electrical conductivity and power factor increase, while the concomitant formation of nanoscale superstructures (2–6 nm) due to local cation ordering reduces the lattice thermal conductivity. We obtained a high output power density of ∼268 mW cm⁻² for ΔT = 325 K in a double-leg thermoelectric device. Our demonstration provides a pathway to optimize intrinsic atomic disorder using vacancy formation and optimize thermoelectric performance.

中文翻译：

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空位控制的纳米级阳离子排序带来高热电性能,空位控制的纳米级阳离子排序带来高热电性能

高热电性能通常通过固溶合金或重掺杂半导体来实现。由此产生的原子无序性会影响热电品质因数zT：晶格热导率随着无序性的增加而降低，但载流子迁移率也会同时降低。在此，我们展示了一种优化热力学相图中无序的策略，并在 Ag 空位 Ag _{1− x} SbTe ₂中实现最大zT = 2.3 。Ag ₂ Te–Sb ₂ Te _{3伪二元相空间中AgSbTe 2}的形成导致Ag ₂沉淀Te 杂质由于热力学不稳定性而产生。我们表明，Ag 空位部分消除了阳离子亚晶格的无序性，同时抑制了次级 Ag ₂ Te 杂质。因此，电导率和功率因数增加，同时由于局部阳离子有序而伴随形成纳米级超结构（2-6 nm），降低了晶格热导率。当 Δ T = 325 K 时，我们在双腿热电装置中获得了~268 mW cm ^-2的高输出功率密度。我们的演示提供了一种利用空位形成来优化固有原子无序并优化热电性能的途径。,高热电性能通常通过固溶合金或重掺杂半导体来实现。由此产生的原子无序性会影响热电品质因数zT：晶格热导率随着无序性的增加而降低，但载流子迁移率也会同时降低。在此，我们展示了一种优化热力学相图中无序的策略，并在 Ag 空位 Ag _{1− x} SbTe ₂中实现最大zT = 2.3 。Ag ₂ Te–Sb ₂ Te _{3伪二元相空间中AgSbTe 2}的形成导致Ag ₂沉淀Te 杂质由于热力学不稳定性而产生。我们表明，Ag 空位部分消除了阳离子亚晶格的无序性，同时抑制了次级 Ag ₂ Te 杂质。因此，电导率和功率因数增加，同时由于局部阳离子有序而伴随形成纳米级超结构（2-6 nm），降低了晶格热导率。当 Δ T = 325 K 时，我们在双腿热电装置中获得了~268 mW cm ^-2的高输出功率密度。我们的演示提供了一种利用空位形成来优化固有原子无序并优化热电性能的途径。