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Non-Rigid Band Structure in Mg2Ge for Improved Thermoelectric Performance.
Advanced Science ( IF 14.3 ) Pub Date : 2020-04-30 , DOI: 10.1002/advs.202000070 Hasbuna Kamila 1 , Aryan Sankhla 1 , Mohammad Yasseri 1, 2 , Eckhard Mueller 1, 2 , Johannes de Boor 1
Advanced Science ( IF 14.3 ) Pub Date : 2020-04-30 , DOI: 10.1002/advs.202000070 Hasbuna Kamila 1 , Aryan Sankhla 1 , Mohammad Yasseri 1, 2 , Eckhard Mueller 1, 2 , Johannes de Boor 1
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Magnesium silicide and its solid solutions are among the most attractive materials for thermoelectric generators in the temperature range of 500–800 K. However, while n‐type Mg2(Si,Ge,Sn) materials show excellent thermoelectric performance, the corresponding p‐type solid solutions are still inferior, mainly due to less favorable properties of the valence bands compared to the conduction bands. Here, Li doped Mg2Ge with a thermoelectric figure of merit zT of 0.5 at 700 K is reported, which is four times higher than that of p‐type Mg2Si and double than that of p‐type Mg2Sn. The reason for the excellent properties is an unusual temperature dependence of Seebeck coefficient and electrical conductivity compared to a standard highly doped semiconductor. The properties cannot be captured assuming a rigid band structure but well reproduced assuming two parabolic valence bands with a strong temperature dependent interband separation. According to the analysis, the difference in energy between the two bands decrease with temperature, leading to a band convergence at around 650 K and finally to an inversion of the band positions. The finding of a combination of a light and a heavy band that are non‐rigid with temperature can pave the way for further optimization of p‐type Mg2(Si,Ge,Sn).
中文翻译：
Mg2Ge 中的非刚性能带结构可提高热电性能。
硅化镁及其固溶体是 500–800 K 温度范围内最有吸引力的热电发电机材料之一。然而，虽然 n 型 Mg 2 (Si,Ge,Sn) 材料表现出优异的热电性能，但相应的 p-型固溶体仍然较差，主要是由于与导带相比，价带的性能较差。据报道，Li掺杂的Mg 2 Ge在700 K下的热电品质因数zT为0.5，是p型Mg 2 Si的四倍，是p型Mg 2 Sn的两倍。其优异性能的原因在于，与标准高掺杂半导体相比，塞贝克系数和电导率具有不同寻常的温度依赖性。假设刚性能带结构无法捕获这些特性，但假设两个抛物线价带具有强烈的温度依赖性带间分离，则可以很好地再现这些特性。根据分析，两个能带之间的能量差异随着温度的升高而减小，导致能带在650 K左右收敛，最终导致能带位置的反转。发现随温度变化的非刚性轻带和重带的组合可以为进一步优化 p 型 Mg 2 (Si,Ge,Sn) 铺平道路。
更新日期：2020-06-24
中文翻译：
Mg2Ge 中的非刚性能带结构可提高热电性能。
硅化镁及其固溶体是 500–800 K 温度范围内最有吸引力的热电发电机材料之一。然而，虽然 n 型 Mg 2 (Si,Ge,Sn) 材料表现出优异的热电性能，但相应的 p-型固溶体仍然较差，主要是由于与导带相比，价带的性能较差。据报道，Li掺杂的Mg 2 Ge在700 K下的热电品质因数zT为0.5，是p型Mg 2 Si的四倍，是p型Mg 2 Sn的两倍。其优异性能的原因在于，与标准高掺杂半导体相比，塞贝克系数和电导率具有不同寻常的温度依赖性。假设刚性能带结构无法捕获这些特性，但假设两个抛物线价带具有强烈的温度依赖性带间分离，则可以很好地再现这些特性。根据分析，两个能带之间的能量差异随着温度的升高而减小，导致能带在650 K左右收敛，最终导致能带位置的反转。发现随温度变化的非刚性轻带和重带的组合可以为进一步优化 p 型 Mg 2 (Si,Ge,Sn) 铺平道路。
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