[论文解读] Benefits of Carrier Pocket Anisotropy to Thermoelectric Performance: The case of $p$-type AgBiSe$_2$

David Parker, Andrew F. May+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2015

Advanced Thermoelectric Materials and Devices被引用 3

一句话总结

本研究表明，p 型 AgBiSe2 的价带中存在显著的一维、片状载流子口袋各向异性，该特性实现了态密度有效质量和迁移率有效质量的解耦，从而提升了热电性能。第一性原理与玻尔兹曼输运计算预测，在 300 K 时 ZT 值为 0.4–0.7，表明尽管 p 型掺杂存在挑战，该材料在室温热电应用中仍具有巨大潜力。

ABSTRACT

We study theoretically the effects of anisotropy on the thermoelectric performance of $p$-type AgBiSe$_2$. We present an apparent realization of the thermoelectric benefits of one-dimensional "plate-like" carrier pocket anisotropy in the valence band of this material. Based on first principles calculations we find a substantial anisotropy in the electronic structure, likely favorable for thermoelectric performance, in the valence bands of the hexagonal phase of the silver chalcogenide thermoelectric AgBiSe$_2$, while the conduction bands are more isotropic, and in our experiments do not attain high performance. AgBiSe$_2$ has already exhibited a $ZT$ value of 1.5 in a high-temperature disordered fcc phase, but room-temperature performance has not been demonstrated. We develop a theory for the ability of anisotropy to decouple the density-of-states and conductivity effective masses, pointing out the influence of this effect in the high performance thermoelectrics Bi$_2$Te$_3$ and PbTe. From our first principles and Boltzmann transport calculations we estimate the performance of $p$-type AgBiSe$_{2}$.

研究动机与目标

• 研究 p 型 AgBiSe2 中各向异性载流子口袋带来的热电优势。
• 确定一维、片状价带各向异性是否可通过解耦有效质量来提升 ZT。
• 评估尽管存在掺杂困难，AgBiSe2 在室温下实现高性能热电性能的可行性。
• 将 AgBiSe2 中的电子各向异性与 Bi2Te3 和 PbTe 等高性能热电材料进行比较。
• 在考虑高掺杂下迁移率退化的情况下，估算 p 型 AgBiSe2 在电子优化下的 ZT 上限。

提出的方法

• 采用第一性原理电子结构计算，绘制 AgBiSe2 的价带色散关系并识别其各向异性。
• 基于各向异性有效质量张量，应用玻尔兹曼输运理论计算电导率和塞贝克系数。
• 采用恒定散射时间近似（CSTA）模拟输运性质，并证明尽管存在质量各向异性，塞贝克系数仍保持各向同性。
• 利用魏德曼-弗朗兹定律估算 ZT，并与 n 型 AgBiSe2 的实验数据对比，推断 p 型性能。
• 应用迁移率缩放定律（μ ∝ p^−0.6）以考虑高掺杂下载流子迁移率的降低。
• 基于相关体系（如 AgBiSe2 纳米片）的实验数据，理论建模通过纳米结构化或合金化降低晶格热导率。

实验结果

研究问题

• RQ1 p 型 AgBiSe2 中的一维、片状载流子口袋各向异性是否可通过解耦有效质量来提升热电性能？
• RQ2 AgBiSe2 价带的各向异性与已知高性能热电材料 Bi2Te3 和 PbTe 的各向异性相比如何？
• RQ3 在电子优化条件下，p 型 AgBiSe2 在室温下的预测 ZT 值是多少？与 Bi2Te3 相比如何？
• RQ4 高掺杂在多大程度上降低载流子迁移率？这对最终 ZT 估算有何影响？
• RQ5 能否通过纳米结构化或合金化降低 AgBiSe2 的晶格热导率？这将对 ZT 产生何种影响？

主要发现

• p 型 AgBiSe2 的价带表现出强烈的一维、片状各向异性，不同晶向的有效质量显著不同。
• 尽管存在各向异性，塞贝克系数仍保持各向同性，这是因为在恒定散射时间近似下，输运方程中有效质量的依赖关系相互抵消。
• 第一性原理与玻尔兹曼输运计算预测，在 300 K 时，p 型 AgBiSe2 的 ZT 值为 0.4–0.7，假设实现完全电子优化。
• 估算的 ZT 值约为最优掺杂 Bi2Te3 在 300 K 时 ZT 值的 80%，表明其在室温应用中具有巨大潜力。
• 该性能估算较为保守，因未考虑通过纳米结构化或合金化降低晶格热导率的影响，而此类手段可进一步提升 ZT。
• 研究表明，尽管 p 型掺杂存在挑战，AgBiSe2 凭借其有利的各向异性电子结构，仍是室温热电应用的有前途候选材料。