Charge compensation weakening ionized impurity scattering and assessing the minority carrier contribution to the Seebeck coefficient in Pb-doped Mg3Sb2 compounds

文献情報

出版日 2020-03-11
DOI 10.1039/D0CP00266F
インパクトファクター 3.676
著者

Qiang Zhang, Jichong Hou, Jianfeng Fan, Shaoping Chen, Wenhao Fan, Hua Zhang, Wenxian Wang, Yucheng Wu, Bingshe Xu


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要旨

This work reports the electrical and thermal transport processes in p-type Pb-doped Mg3(1+x)Sb2−yPby (0.02 ≤ x ≤ 0.08; 0 ≤ y ≤ 0.02) compounds. Low-energy electron acceptor defects Mg vacancies are easy to form, which can provide holes and make p-type transport in the Mg3Sb2 matrix. However, with an increase in excess Mg, the transport behavior changes from p type to n type as manifested synergistically by both the Hall coefficient and Seebeck coefficient. This indicates the effective role of Mg in tuning carrier type and concentration for a pristine Mg3Sb2 compound. Upon substitution of Sb by Pb, the hole concentration slightly increases, and mobility is greatly improved by 133% at room temperature. The significant increase in mobility is attributed to the weakening ionized impurity scattering, stemming from the decreasing concentration induced by Pb doping. Thus, the power factor is enhanced with a 146% improvement at room temperature. Consequently, the figure of merit ZT of the Pb-doped sample is 1.8 times larger than the pristine one at around 300 K. Moreover, the non-degenerate transport behavior revealed by electrical properties is simply analyzed regarding the effects of minority carriers on the overall Seebeck coefficient. This study proposes a new strategy of charge compensation for improving mobility and a simple way to guide the prediction about the onset of bipolar conduction for Mg3Sb2-based compounds and other potential thermoelectric materials.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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