Sb/BiドープAgCrSe2化合物の熱電率向上のための有効質量の低減

Reducing Effective Mass for Advancing Thermoelectrics in Sb/Bi-doped AgCrSe2 Compounds.

• Ming Jing Tang
• Zhiyu Chen
• Xuming Guo
• Fujie Zhang
• Yan Zhong
• Hangtian Liu
• Bin Kang
• Ran Ang

抄録

液体状物質は、フォノン-液体電子結晶としての特徴を持つことから注目されています。その代表的なものとして、超イオン伝導体であるAgCrSe2は、その固有の超低格子熱伝導率から、有望な熱電材料として期待されています。高い熱電性能を実現するためには、AgCrSe2化合物の劣った電子性能を高めることが第一の課題である。そのためには、バンド有効質量を操作して高力率化を図ることが重要である。本研究では、Ag0.97CrSe2中のCrサイトにSb/Bi元素をドープしたAg0.97Cr1-x(Sb/Bi)xSe2を作製し、原子間の電子軌道の重なりを良くして価電子帯をシャープにし、有効質量を減少させることに成功した。原始状態のAgCrSe2と比較して、3%のSbを添加することで力率が50%以上向上した(~387μW m-1 K-2 @ 750K)。単一放物線型バンドモデルにより、有効質量の減少と最適化されたキャリア濃度が電子特性の向上に寄与していることが明らかになった。さらに、3%Sbを添加した試料では、超イオン伝導がほとんど変化しないため、超低熱伝導率(~0.2W m-1 K-1)が良好に維持されている。最終的に、Ag0.97Cr0.97Sb0.03Se2では、高いピーク値のメリットzT(~0.7 @ 750K)が得られた。今回の発見は、AgCrSe2材料の熱電変換を促進するための優れた道筋を提供するものである。

Liquid-like materials have attracted increasing attention owing to their phonon-liquid electron-crystal feature. As a typical representative, the superionic conductor AgCrSe2 is regarded as a promising thermoelectrics for its intrinsic ultralow lattice thermal conductivity. The primary challenge for achieving high thermoelectric performance is to enhance the inferior electronic performance in AgCrSe2 compounds. Thus, it is very significant to manipulate band effective mass to achieve higher power factor. In this work, the Sb/Bi elements are doped at Cr sites in Ag0.97CrSe2, i.e., Ag0.97Cr1-x(Sb/Bi)xSe2, aiming at producing a better overlap of electron orbits between different atoms for sharpening the valence band and decreasing the effective mass. In comparison with the pristine AgCrSe2, a considerable improvement (>50%) in power factor (~387 μW m-1 K-2 @ 750 K) is realized upon 3% Sb doping. The single parabolic band model clarifies that the decreased effective mass and optimized carrier concentration contribute to the enhanced electronic property. Furthermore, an ultralow lattice thermal conductivity (~0.2 W m-1 K-1) is well-maintained for the sample with 3% Sb doping due to the nearly unchanged superionic conduction. Eventually, a high peak figure of merit zT (~0.7 @ 750 K) is obtained in Ag0.97Cr0.97Sb0.03Se2. The current finding provides an excellent avenue for advancing thermoelectrics in AgCrSe2 materials.