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Strained Endotaxial PbS Nanoprecipitates Boosting Ultrahigh Thermoelectric Quality Factor in n-Type PbTe As-Cast Ingots
Small ( IF 13.0 ) Pub Date : 2021-10-17 , DOI: 10.1002/smll.202104496 Shixuan Liu 1 , Yong Yu 2 , Di Wu 1 , Xiao Xu 2 , Xiaolian Chao 1 , Zupei Yang 1 , Jiaqing He 2
Small ( IF 13.0 ) Pub Date : 2021-10-17 , DOI: 10.1002/smll.202104496 Shixuan Liu 1 , Yong Yu 2 , Di Wu 1 , Xiao Xu 2 , Xiaolian Chao 1 , Zupei Yang 1 , Jiaqing He 2
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Lead telluride (PbTe) has long been regarded as an excellent thermoelectric material at intermediate temperature range (573–873 K); however, n-type PbTe's performance is always relatively inferior to its p-type counterpart mainly due to their different electronic band structures. In this work, an ultrahigh thermoelectric quality factor (µ/κL ≈ 1.36 × 105 cm3 KJ−1 V−1) is reported in extra 0.3% Cu doped n-type (PbTe)0.9(PbS)0.1 as-cast ingots. Transmission electron microscopy (TEM) characterization reveals that excess PbS exists in PbTe matrix as strained endotaxial nanoprecipitates, which affect electrical and thermal conduction discriminately: (1) coherent PbTe/PbS lattice minimizes the interface scattering of charge carriers; (2) periodic strain centers at PbTe/PbS interface exhibit intensive strain contrast, which can strongly scatter heat-carrying phonons. Electron backscattered diffraction (EBSD) characterization illustrates very large PbTe grains (≈1 mm) in these as-cast ingots, ensuring an extremely low grain boundary scattering rate thus a very high charge carrier mobility. Eventually, a remarkably high ZTmax ≈ 1.5 at 773 K and an outstanding ZTavg ≈ 1.0 between 323 and 773 K are simultaneously achieved in the (PbTe)0.9(PbS)0.1 +0.3%Cu sample; these values are highly competitive with reported state-of-art n-type PbTe materials.
中文翻译：
应变内延 PbS 纳米沉淀提高 n 型 PbTe 铸锭的超高热电品质因数
碲化铅 (PbTe) 长期以来一直被认为是中温范围 (573–873 K) 的优良热电材料；然而，n 型 PbTe 的性能总是相对低于其 p 型对应物，这主要是由于它们不同的电子能带结构。在这项工作中，在额外的 0.3% Cu 掺杂 n 型 (PbTe) 0.9 (PbS) 0.1 中报道了超高热电品质因数 ( µ /κ L ≈ 1.36 × 10 5 cm 3 KJ -1 V -1 )铸锭。透射电子显微镜 (TEM) 表征表明，过量的 PbS 以应变的内向纳米沉淀物形式存在于 PbTe 基体中，这对电和热传导有区别的影响：(1) 相干 PbTe/PbS 晶格使电荷载流子的界面散射最小化；(2) PbTe/PbS 界面处的周期性应变中心表现出强烈的应变对比，可以强烈散射载热声子。电子背散射衍射 (EBSD) 表征说明这些铸态锭中有非常大的 PbTe 晶粒（≈1 毫米），确保极低的晶界散射率，从而具有非常高的电荷载流子迁移率。最终， 在 773 K 时具有非常高的ZT最大值≈ 1.5 和出色的ZT平均值 在 (PbTe) 0.9 (PbS) 0.1 +0.3%Cu 样品中同时达到 323 和 773 K 之间的 ≈ 1.0 ；这些值与报道的最先进的 n 型 PbTe 材料具有很强的竞争力。
更新日期：2021-12-16
中文翻译：
应变内延 PbS 纳米沉淀提高 n 型 PbTe 铸锭的超高热电品质因数
碲化铅 (PbTe) 长期以来一直被认为是中温范围 (573–873 K) 的优良热电材料；然而，n 型 PbTe 的性能总是相对低于其 p 型对应物，这主要是由于它们不同的电子能带结构。在这项工作中，在额外的 0.3% Cu 掺杂 n 型 (PbTe) 0.9 (PbS) 0.1 中报道了超高热电品质因数 ( µ /κ L ≈ 1.36 × 10 5 cm 3 KJ -1 V -1 )铸锭。透射电子显微镜 (TEM) 表征表明，过量的 PbS 以应变的内向纳米沉淀物形式存在于 PbTe 基体中，这对电和热传导有区别的影响：(1) 相干 PbTe/PbS 晶格使电荷载流子的界面散射最小化；(2) PbTe/PbS 界面处的周期性应变中心表现出强烈的应变对比，可以强烈散射载热声子。电子背散射衍射 (EBSD) 表征说明这些铸态锭中有非常大的 PbTe 晶粒（≈1 毫米），确保极低的晶界散射率，从而具有非常高的电荷载流子迁移率。最终， 在 773 K 时具有非常高的ZT最大值≈ 1.5 和出色的ZT平均值 在 (PbTe) 0.9 (PbS) 0.1 +0.3%Cu 样品中同时达到 323 和 773 K 之间的 ≈ 1.0 ；这些值与报道的最先进的 n 型 PbTe 材料具有很强的竞争力。
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