[论文解读] Spectroscopic evidence for the convergence of lower and upper valence bands of PbQ (Q=Te, Se, S) with rising temperature

Junying Zhao, Christos D. Malliakas+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2014

Solid-state spectroscopy and crystallography被引用 4

一句话总结

本研究通过温度依赖性角分辨光电子能谱（ARPES）提供了直接的光谱学证据，表明在PbTe、PbSe和PbS中，随温度升高，低能价带（LVB）与高能价带（UVB）逐渐收敛，导致其能级间距单调减小。该收敛现象预计在T* ~750 K（PbTe）、1200 K（PbSe）和1000 K（PbS）时发生，增强了谷简并度，从而解释了这些材料在高温下优异的热电性能。

ABSTRACT

We have conducted temperature dependent Angle Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES) study of the electronic structure of n-, p- type PbTe, PbSe and PbS, which are pre- mier thermoelectric materials. Our ARPES measurements on them provide direct evidence for the light hole upper valence bands (UVBs) and the so-called heavy hole lower valence bands (LVBs), and an unusual temperature dependent relative movement between their band maxima leading to a monotonic decrease in the energy separation between LVBs and UVBs with increase in temperature. This enables convergence of these valence bands and consequently, an effective increase in the valley degeneracy in PbQ at higher temperatures, which has long been speculated to be the driving factor behind their extraordinary thermoelectric performance.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于铅族族化合物（PbQ）价带结构随温度演化问题的争议。
• 为随温度升高，低能价带（LVB）与高能价带（UVB）之间的相对位移提供直接实验证据。
• 阐明PbQ材料在高温下表现出高热电效率的机制，特别是谷简并度增强的作用。
• 调和来自输运测量与光学测量中关于LVB与UVB交叉温度（T*）的相互矛盾报告。

提出的方法

• 在p型PbTe、n型PbSe和n型PbS样品上进行了从~100 K到~500 K温度范围内的温度依赖性角分辨光电子能谱（ARPES）测量。
• 在对应于LVB与UVB能带极大值的动量位置提取了能量分布曲线（EDCs），以追踪其随温度的能级演化。
• 能量分离Δ通过Δ = Ω_U - Ω_L计算得出，其中Ω_U和Ω_L分别为UVB和LVB的能带边能量。
• 对Δ随温度变化的T依赖性数据进行线性拟合，外推得出Δ → 0时的温度T*，以表征能带收敛。
• 将结果与先前的磁测量和光学测量进行对比，以验证T*的估算值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在PbQ（Q=Te, Se, S）中，低能价带与高能价带是否表现出随温度变化的能级位移，从而导致其收敛？
• RQ2 PbTe、PbSe和PbS中LVB与UVB之间的能量分离具有怎样的定量温度依赖性？
• RQ3 观测到的高温下能带收敛是否可解释PbQ材料热电性能的提升？
• RQ4 基于ARPES估算的T*值与来自输运和光学测量的T*值相比如何？

主要发现

• 在所有三种PbQ化合物中，LVB与UVB之间的能量分离Δ随温度升高而单调减小，表明能带持续收敛。
• 在T ~100 K时，PbS中Δ最大（536 meV），PbSe中居中（394 meV），PbTe中最小（130 meV）。
• UVB能隙Δ_U随温度线性增大，而LVB能隙Δ_L几乎保持不变，从而驱动Δ的减小。
• 对Δ的T依赖性进行线性外推，得出特征收敛温度T*分别为：PbTe ~750 K，PbS ~1000 K，PbSe ~1200 K。
• PbTe的T*估算值与近期磁测量和光学测量结果高度一致，验证了ARPES结果的可靠性。
• 研究结果证实，PbQ材料在T*以上转变为间接带隙半导体，此时LVB能级越过UVB，增强谷简并度，从而贡献于其优异的热电效率。