We hybridized n-type Bi2Te3 with an inexpensive and abundantly available conducting polymer, polypyrrole, to obtain a bulk-structured hybrid material in which the interfacial energy band and the phonon scattering effects should occur at the interface of the two components. The obtained hybrid material inevitably exhibited a lower electrical conductivity than pristine Bi2Te3, which may be attributable to carrier scattering at the interfacial energy barrier. However, the hybrid material completely compensated for this loss in electrical conductivity with a significant increase in the Seebeck coefficient, and thus it retained the power factor with no loss. In addition, the hybrid material displayed a much lower thermal conductivity than pristine Bi2Te3 owing to the phonon scattering effect. The hybrid material exhibited significant decoupling of the electrical and thermal properties, thus affording state-of-the-art figures of merit (ZT ∼ 0.98 at 25 °C, ZTmax ∼ 1.21 at 100 °C, and ZTave ∼ 1.18 at 50–150 °C) that exceed those of most of the previously reported n-type Bi2Te3 or Bi2(Te,Se)3 materials.

1.
K. F.
Hsu
,
S.
Loo
,
F.
Guo
,
W.
Chen
,
J. S.
Dyck
,
C.
Uher
,
T.
Hogan
,
E. K.
Polychroniadis
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Science
303
,
818
(
2004
).
2.
J.
Martin
,
G. S.
Nolas
,
W.
Zhang
, and
L.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
222112
(
2007
).
3.
X.
Ji
,
B.
Zhang
,
T. M.
Tritt
,
J. W.
Kolis
, and
A.
Kumbhar
,
J. Electron. Mater.
36
,
721
(
2007
).
5.
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
,
M. Y.
Tang
,
R. G.
Yang
,
H.
Lee
,
D. Z.
Wang
,
Z. F.
Ren
,
J. P.
Fleurial
, and
P.
Gogna
,
Adv. Mater.
19
,
1043
(
2007
).
6.
H. J.
Goldsmid
,
Introduction to Thermoelectricity
(
Springer
,
Berlin
,
2009
).
7.
D. W.
Rowe
,
Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano
(
CRC/Taylor & Francis
,
Boca Raton
,
2006
).
8.
B.
Poudel
,
Q.
Hao
,
Y.
Ma
,
Y.
Lan
,
A.
Minnich
,
B.
Yu
,
X.
Yan
,
D.
Wang
,
A.
Muto
,
D.
Vashaee
,
X.
Chen
,
J.
Liu
,
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
, and
Z.
Ren
,
Science
320
,
634
(
2008
).
9.
Y.
Deng
,
X.
Zhou
,
G.
Wei
,
J.
Liu
,
C. W.
Nan
, and
S.
Zhao
,
J. Phys. Chem. Solids
63
,
2119
(
2002
).
10.
X. B.
Zhao
,
X. H.
Ji
,
Y. H.
Zhang
,
T. J.
Zhu
,
J. P.
Tu
, and
X. B.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
062111
(
2005
).
11.
S.
Sumithra
,
N. J.
Takas
,
D. K.
Misra
,
W. M.
Nolting
,
P. F. P.
Poudeu
, and
K. L.
Stokes
,
Adv. Energy Mater.
1
,
1141
(
2011
).
12.
E.
Lee
,
J.
Ko
,
J. Y.
Kim
,
W. S.
Seo
,
S. M.
Choi
,
K. H.
Lee
,
W.
Shim
, and
W.
Lee
,
J. Mater. Chem. C
4
,
1313
(
2016
).
13.
S.
Fan
,
J.
Zhao
,
Q.
Yan
,
J.
Ma
, and
H. H.
Hng
,
J. Electron. Mater.
40
,
1018
(
2011
).
14.
M. K.
Han
,
Y.
Jin
,
D. H.
Lee
, and
S. J.
Kim
,
Materials
10
,
1235
(
2017
).
15.
B.
Zhang
,
J.
Sun
,
H. E.
Katz
,
F.
Fang
, and
R. L.
Opila
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
2
,
3170
(
2010
).
16.
K.
Chatterjee
,
M.
Mitra
,
K.
Kargupta
,
S.
Ganguly
, and
D.
Banerjee
,
Nanotechnology
24
,
215703
(
2013
).
17.
M.
Culebras
,
C. M.
Gómez
, and
A.
Cantarero
,
Materials
7
,
6701
(
2014
).
18.
K.
Kato
,
H.
Hagino
, and
K.
Miyazaki
,
J. Electron. Mater.
42
,
1313
(
2013
).
19.
Y.
Du
,
K. F.
Cai
,
S.
Chen
,
P.
Cizek
, and
T.
Lin
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
,
5735
(
2014
).
20.
X.
Zhao
,
S.
Hu
,
M.
Zhao
, and
T.
Zhu
,
Mater. Lett.
52
,
147
(
2002
).
21.
W. Q.
Ao
,
L.
Wang
,
J. Q.
Li
,
F.
Pan
, and
C. N.
Wu
,
J. Electron. Mater.
40
,
2027
(
2011
).
22.
Y.
Li
,
Q.
Zhao
,
Y.
Wang
, and
K.
Bi
,
Mater. Sci. Semicond. Process.
14
,
219
(
2011
).
23.
H. C.
Kang
and
K. E.
Geckeler
,
Polymer
41
,
6931
(
2000
).
24.
L. A.
Fielding
,
J. K.
Hillier
,
M. J.
Burchell
, and
S. P.
Armes
,
Chem. Commun.
51
,
16886
(
2015
).
25.
M. C.
Arenas
,
L. F.
Rodríguez-Núnez
,
D.
Rangel
,
O.
Martínez-Álvarez
,
C.
Martínez-Alonso
, and
V. M.
Castaño
,
Ultrason. Sonochem.
20
,
777
(
2013
).
26.
Y.
Jia
,
P.
Xiao
,
H.
He
,
J.
Yao
,
F.
Liu
,
Z.
Wang
, and
Y.
Li
,
Appl. Surf. Sci.
258
,
6627
(
2012
).
27.
P.
Dallas
,
D.
Niarchos
,
D.
Vrbanic
,
N.
Boukos
,
S.
Pejovnik
,
C.
Trapalis
, and
D.
Petridis
,
Polymer
48
,
2007
(
2007
).
28.
Q.
Jiang
,
C.
Liu
,
H.
Song
,
J.
Xu
,
D.
Mo
,
H.
Shi
,
Z.
Wang
,
F.
Jiang
,
B.
Lu
, and
Z.
Zhu
,
Int. J. Electrochem. Sci.
9
,
7540
(
2014
).
29.
Y.
Hou
,
L.
Zhang
,
L. Y.
Chen
,
P.
Liu
,
A.
Hirata
, and
M. W.
Chen
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
3523
(
2014
).
30.
Y. V. M.
Reddy
,
V. P.
Rao
,
A. V. B.
Reddy
,
M.
Lavanya
,
M.
Venu
,
M.
Lavanya
, and
G.
Madhavi
,
Mater. Sci. Eng. C
57
,
378
(
2015
).
31.
Y.
Liu
and
B.
Hwang
,
Synth. Met.
113
,
203
(
2000
).
32.
G.
Hana
,
J.
Yuan
,
G.
Shi
, and
F.
Wei
,
Thin Solid Films
474
,
64
(
2005
).
33.
P.
Puneet
,
R.
Podila
,
M.
Karakaya
,
S.
Zhu
,
J.
He
,
T. M.
Tritt
,
M. S.
Dresselhaus
, and
A. M.
Rao
,
Sci. Rep.
3
,
3212
(
2013
).
34.
Y.
Pan
,
T. R.
Wei
,
C. F.
Wu
, and
J. F.
Li
,
J. Mater. Chem. C
3
,
10583
(
2015
).
35.
A.
Klein
,
C.
Körber
,
A.
Wachau
,
F.
Säuberlich
,
Y.
Gassenbauer
,
S. P.
Harvey
,
D. E.
Proffit
, and
T. O.
Mason
,
Materials
3
,
4892
(
2010
).
36.
I.
Irfan
,
S.
Graber
,
F.
So
, and
Y.
Gao
,
Org. Electron.
13
,
2028
(
2012
).
37.
F.
Wu
,
H.
Song
,
F.
Gao
,
W.
Shi
,
J.
Jia
, and
X.
Hu
,
J. Electron. Mater.
42
,
1140
(
2013
).
38.
F.
Wu
,
W.
Wang
,
X.
Hu
, and
M.
Tang
,
Prog. Nat. Sci.
27
,
203
(
2017
).
39.
L.
Yang
,
Z. G.
Chen
,
M.
Hong
,
G.
Han
, and
J.
Zou
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
7
,
23694
(
2015
).
40.
D.
Li
,
J. M.
Li
,
J. C.
Li
,
Y. S.
Wang
,
J.
Zhang
,
X. Y.
Qin
,
Y.
Cao
,
Y. S.
Li
, and
G. D.
Tang
,
J. Mater. Chem. A
6
,
9642
(
2018
).
41.
B.
Xu
,
T.
Feng
,
M. T.
Agne
,
L.
Zhou
,
X.
Ruan
,
G. J.
Snyder
, and
Y.
Wu
,
Angew. Chem.
56
,
3546
(
2017
).
42.
M.
Hong
,
T.
Chasapis
,
Z. G.
Chen
,
L.
Yang
,
M. G.
Kanatzidis
,
G. J.
Snyder
, and
J.
Zou
,
ACS Nano
10
,
4719
(
2016
).
43.
R.
Zhai
,
L.
Hu
,
H.
Wu
,
Z.
Xu
,
T. J.
Zhu
, and
X. B.
Zhao
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
28577
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.