We achieved substantially low thermal conductivity by introducing some crystal disorder into complex material BaSi2 films on Si substrates for realization of a high-performance thermoelectric material. The BaSi2 films/Si exhibited a low thermal conductivity of 0.96 W m−1 K−1 without nanostructuring, which is less than about two-thirds value of bulk BaSi2 and is the lowest among ecofriendly silicide materials. This substantially low thermal conductivity was brought by both the use of complex material with intrinsically low phonon group velocity and the introduction of point defects as the crystal disorder. The first-principles calculations revealed that the point defect modulates the phonon dispersion relation lowering longitudinal acoustic phonon group velocity. However, the transverse acoustic phonon group velocity was increased at the same time, resulting in a negligible change in average acoustic phonon group velocity. This indicated that the crystal disorder effect related to point defects in this system is enhancement of phonon scattering, not lowering phonon group velocity. The BaSi2 films/Si with point defects exhibited a higher thermoelectric power factor (2.9 μW cm−1 K−2) than bulk BaSi2. These results highlight that complex material BaSi2 film/Si with point defects, having substantially low thermal conductivity, is a candidate as a thermoelectric power generator material in the sensor network.

1.
P.
Chen
,
N. A.
Katcho
,
J. P.
Feser
,
W.
Li
,
M.
Glaser
,
O. G.
Schmidt
,
D. G.
Cahill
,
N.
Mingo
, and
A.
Rastelli
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
115901
(
2013
).
2.
M. T.
Agne
,
R.
Hanus
, and
G. J.
Snyder
,
Energy Environ. Sci.
11
,
609
(
2018
).
3.
F.
Tian
,
B.
Song
,
X.
Chen
,
N. K.
Ravichandran
,
Y.
Lv
,
K.
Chen
,
S.
Sullivan
,
J.
Kim
,
Y.
Zhou
,
T. H.
Liu
,
M.
Goni
,
Z.
Ding
,
J.
Sun
,
G. A. G. U.
Gamage
,
H.
Sun
,
H.
Ziyaee
,
S.
Huyan
,
L.
Deng
,
J.
Zhou
,
A. J.
Schmidt
,
S.
Chen
,
C. W.
Chu
,
P. Y.
Huang
,
D.
Broido
,
L.
Shi
,
G.
Chen
, and
Z.
Ren
,
Science
361
,
582
(
2018
).
4.
R.
Anufriev
,
A.
Ramiere
,
J.
Maire
, and
M.
Nomura
,
Nat. Commun.
8
,
15505
(
2017
).
5.
M. N.
Luckyanova
,
J.
Mendoza
,
H.
Lu
,
B.
Song
,
S.
Huang
,
J.
Zhou
,
M.
Li
,
Y.
Dong
,
H.
Zhou
,
J.
Garlow
,
L.
Wu
,
B. J.
Kirby
,
A. J.
Grutter
,
A. A.
Puretzky
,
Y.
Zhu
,
M. S.
Dresselhaus
,
A.
Gossard
, and
G.
Chen
,
Sci. Adv.
4
,
eaat9460
(
2018
).
6.
Z.
Chen
,
X.
Zhang
, and
Y.
Pei
,
Adv. Mater.
30
,
1705617
(
2018
).
7.
K.
Biswas
,
J.
He
,
I. D.
Blum
,
C.-I.
Wu
,
T. P.
Hogan
,
D. N.
Seidman
,
V. P.
Dravid
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Nature
489
,
414
418
(
2012
).
8.
L. D.
Zhao
,
H. J.
Wu
,
S. Q.
Hao
,
C. I.
Wu
,
X. Y.
Zhou
,
K.
Biswas
,
J. Q.
He
,
T. P.
Hogan
,
C.
Uher
,
C.
Wolverton
,
V. P.
Dravid
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Energy Environ. Sci.
6
,
3346
(
2013
).
9.
Z.
Wang
,
J. E.
Alaniz
,
W.
Jang
,
J. E.
Garay
, and
C.
Dames
,
Nano Lett.
11
,
2206
(
2011
).
10.
X.
Meng
,
Z.
Liu
,
B.
Cui
,
D.
Qin
,
H.
Geng
,
W.
Cai
,
L.
Fu
,
J.
He
,
Z.
Ren
, and
J.
Sui
,
Adv. Energy Mater.
7
,
1602582
(
2017
).
11.
Y.
Nakamura
,
M.
Isogawa
,
T.
Ueda
,
S.
Yamasaka
,
H.
Matsui
,
J.
Kikkawa
,
S.
Ikeuchi
,
T.
Oyake
,
T.
Hori
,
J.
Shiomi
, and
A.
Sakai
,
Nano Energy
12
,
845
(
2015
).
12.
Y.
Nakamura
,
A.
Masada
, and
M.
Ichikawa
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
013109
(
2007
).
13.
Y.
Nakamura
,
Sci. Technol. Adv. Mater.
19
,
31
(
2018
).
14.
T.
Ishibe
,
A.
Tomeda
,
K.
Watanabe
,
Y.
Kamakura
,
N.
Mori
,
N.
Naruse
,
Y.
Mera
,
Y.
Yamashita
, and
Y.
Nakamura
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
37709
(
2018
).
15.
M. N.
Luckyanova
,
J.
Garg
,
K.
Esfarjani
,
A.
Jandl
,
M. T.
Bulsara
,
A. J.
Schmidt
,
A. J.
Minnich
,
S.
Chen
,
M. S.
Dresselhaus
,
Z.
Ren
,
E. A.
Fitzgerald
, and
G.
Chen
,
Science
338
,
936
(
2012
).
16.
J.
Ravichandran
,
A. K.
Yadav
,
R.
Cheaito
,
P. B.
Rossen
,
A.
Soukiassian
,
S. J.
Suresha
,
J. C.
Duda
,
B. M.
Foley
,
C.-H.
Lee
,
Y.
Zhu
,
A. W.
Lichtenberger
,
J. E.
Moore
,
D. A.
Muller
,
D. G.
Schlom
,
P. E.
Hopkins
,
A.
Majumdar
,
R.
Ramesh
, and
M. A.
Zurbuchen
,
Nat. Mater.
13
,
168
(
2014
).
17.
K.
Biswas
,
J.
He
,
Q.
Zhang
,
G.
Wang
,
C.
Uher
,
V. P.
Dravid
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Nat. Chem.
3
,
160
(
2011
).
18.
R.
Hanus
,
M. T.
Agne
,
A. J. E.
Rettie
,
Z.
Chen
,
G.
Tan
,
D. Y.
Chung
,
M. G.
Kanatzidis
,
Y.
Pei
,
P. W.
Voorhees
, and
G. J.
Snyder
,
Adv. Mater.
31
,
1900108
(
2019
).
19.
Y.
Zhu
,
Y.
Liu
,
M.
Wood
,
N. Z.
Koocher
,
Y.
Liu
,
L.
Liu
,
T.
Hu
,
J. M.
Rondinelli
,
J.
Hong
,
G. J.
Snyder
, and
W.
Xu
,
Chem. Mater.
31
,
8182
(
2019
).
20.
P. A.
Lee
and
T. V.
Ramakrishnan
,
Rev. Mod. Phys.
57
,
287
(
1985
).
21.
V. M.
Pereira
,
F.
Guinea
,
J. M. B.
Lop dos Santos
,
N. M. R.
Peres
, and
A. H. C.
Neto
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
036801
(
2006
).
22.
G. J.
Snyder
and
E. S.
Toberer
,
Nat. Mater.
7
,
105
(
2008
).
23.
E. S.
Toberer
,
A.
Zevalkink
, and
G. J.
Snyder
,
J. Mater. Chem.
21
,
15843
(
2011
).
24.
B. C.
Sales
,
D.
Mandrus
, and
R. K.
Williams
,
Science
272
,
1325
(
1996
).
25.
D.
Voneshen
,
K.
Refson
,
E.
Borissenko
,
M.
Krisch
,
A.
Bosak
,
A.
Piovano
,
E.
Cemal
,
M.
Enderle
,
M.
Gutmann
,
M.
Hoesch
,
M.
Roger
,
L.
Gannon
,
A. T.
Boothroyd
,
S.
Uthayakumar
,
D. G.
Porter
, and
J. P.
Goff
,
Nat. Mater.
12
,
1028
(
2013
).
26.
W.
Luo
,
H.
Li
,
Y.
Yan
,
Z.
Lin
,
X.
Tang
,
Q.
Zhang
, and
C.
Uher
,
Intermetallics
19
,
404
(
2011
).
27.
G. K.
Dalapati
,
S. M.
Panah
,
A.
Kumar
,
C. C.
Tan
,
H. R.
Tan
, and
D.
Chi
,
Sci. Rep.
5
,
17810
(
2016
).
28.
T.
Ishibe
,
T.
Kurokawa
,
N.
Naruse
, and
Y.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
141601
(
2018
).
29.
S.
Sakane
,
T.
Ishibe
,
T.
Taniguchi
,
N.
Naruse
,
Y.
Mera
,
T.
Fujita
,
M. M.
Alam
,
K.
Sawano
,
N.
Mori
, and
Y.
Nakamura
,
Mater. Today Energy
13
,
56
(
2019
).
30.
K.
Hashimoto
,
K.
Kurosaki
,
Y.
Imamura
,
H.
Muta
, and
S.
Yamanaka
,
J. Appl. Phys.
102
,
063703
(
2007
).
31.
J. P.
Heremans
,
V.
Jovovic
,
E. S.
Toberer
,
A.
Saramat
,
K.
Kurosaki
,
A.
Charoenphakdee
,
S.
Yamanaka
, and
G. J.
Snyder
,
Science
321
,
554
(
2008
).
32.
X.
Chen
,
S. N.
Girard
,
F.
Meng
,
E.
Lara-Curzio
,
S.
Jin
,
J. B.
Goodenough
,
J.
Zhou
, and
L.
Shi
,
Adv. Energy Mater.
4
,
1400452
(
2014
).
33.
Z. W.
Huang
,
Y. H.
Zhao
,
H.
Hou
, and
P. D.
Han
,
Physica B
407
,
1075
(
2012
).
34.
T.
Suemasu
and
N.
Usami
,
J. Phys. D
50
,
023001
(
2017
).
35.
Y.
Inomata
,
T.
Nakamura
,
T.
Suemasu
, and
F.
Hasegawa
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
43
,
L478
(
2004
).
36.
Y.
Yamashita
,
Y.
Takahara
,
T.
Sato
,
K.
Toko
,
A.
Uedono
, and
T.
Suemasu
,
Appl. Phys. Express
12
,
055506
(
2019
).
37.
T.
Sato
,
C.
Lombard
,
Y.
Yamashita
,
Z.
Xu
,
L.
Benincasa
,
K.
Toko
,
S.
Gambarelli
, and
T.
Suemasu
,
Appl. Phys. Express
12
,
061005
(
2019
).
38.
E. A.
Scott
,
J. T.
Gaskins
,
S. W.
King
, and
P. E.
Hopkins
,
APL Mater.
6
,
058302
(
2018
).
39.
M. E.
DeCoster
,
K. E.
Meyer
,
B. D.
Piercy
,
J. T.
Gaskins
,
B. F.
Donovan
,
A.
Giri
,
N. A.
Strnad
,
D. M.
Potrepka
,
A. A.
Wilson
,
M. D.
Losego
, and
P. E.
Hopkins
,
Thin Solid Films
650
,
71
77
(
2018
).
40.
T.
Taniguchi
,
T.
Ishibe
,
H.
Miyamoto
,
Y.
Yamashita
, and
Y.
Nakamura
,
Appl. Phys. Express
11
,
111301
(
2018
).
41.
Y.
Xu
,
M.
Goto
,
R.
Kato
,
Y.
Tanaka
, and
Y.
Kagawa
,
J. Appl. Phys.
111
,
084320
(
2012
).
42.
Y.
Uematsu
,
T.
Terada
,
K.
Sato
,
T.
Ishibe
, and
Y.
Nakamura
,
Appl. Phys. Express
13
,
055503
(
2020
).
43.
K.
Mitarai
,
R.
Okuhata
,
J.
Chikada
,
T.
Kaneko
,
Y.
Uematsu
,
Y.
Komatsubara
,
T.
Ishibe
, and
Y.
Nakamura
,
J. Appl. Phys.
128
,
015102
(
2020
).
44.
T.
Taniguchi
,
T.
Terada
,
Y.
Komatsubara
,
T.
Ishibe
,
K.
Konoike
,
A.
Sanada
,
N.
Naruse
,
Y.
Mera
, and
Y.
Nakamura
,
Nanoscale
13
,
4971
(
2021
).
45.
T.
Ishibe
,
A.
Tomeda
,
Y.
Komatsubara
,
R.
Kitaura
,
M.
Uenuma
,
Y.
Uraoka
,
Y.
Yamashita
, and
Y.
Nakamura
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
151601
(
2021
).
46.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
47.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
48.
J. P.
Perdew
,
J. A.
Chevary
,
S. H.
Vosko
,
K. A.
Jackson
,
M. R.
Pederson
,
D. J.
Singh
, and
C.
Fiolhais
,
Phys. Rev. B
46
,
6671
(
1992
).
49.
P.
Giannozzi
,
S.
de Gironcoli
,
P.
Pavone
, and
S.
Baroni
,
Phys. Rev. B
43
,
7231
(
1991
).
50.
Y.
Yamashita
,
S.
Yachi
,
R.
Takabe
,
T.
Sato
,
M. E.
Bayu
,
K.
Toko
, and
T.
Suemasu
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
57
,
025501
(
2018
).
51.
K. E.
Goodson
,
O. W.
Kading
,
M.
Rosler
, and
R.
Zachai
,
J. Appl. Phys.
77
,
1385
(
1995
).
52.
A.
Saura
,
H.
Ji
,
K. P.
Hilton
,
D. J.
Wallis
,
M. J.
Uren
,
T.
Martin
, and
M.
Kuball
,
IEEE Trans. Electron Devices
54
,
3152
(
2007
).
53.
H.
Wang
,
Y.
Xu
,
M.
Shimono
,
Y.
Tanaka
, and
M.
Yamazaki
,
Mater. Trans.
48
,
2349
(
2007
).
54.
Q.
Zhang
,
L.
Cheng
,
W.
Liu
,
Y.
Zheng
,
X.
Su
,
H.
Chi
,
H.
Liu
,
Y.
Yan
,
X.
Tang
, and
C.
Uher
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
23576
(
2014
).
55.
G.
Joshi
,
H.
Lee
,
Y.
Lan
,
X.
Wang
,
G.
Zhu
,
D.
Wang
,
R. W.
Gould
,
D. C.
Cuff
,
M. Y.
Tang
,
M. S.
Dresselhaus
,
G.
Chen
, and
Z.
Ren
,
Nano Lett.
8
,
4670
(
2008
).
56.
W.-D.
Liu
,
Z.-G.
Chen
, and
J.
Zou
,
Adv. Energy Mater.
8
,
1800056
(
2018
).
57.
L. R.
Macario
,
X.
Cheng
,
D.
Ramirez
,
T.
Mori
, and
H.
Kleinke
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
40585
(
2018
).
58.
D. C.
Ramirez
,
L. R.
Macario
,
X.
Cheng
,
M.
Cino
,
D.
Walsh
,
Y.-C.
Tseng
, and
H.
Kleinke
,
ACS Appl. Energy Mater.
3
,
2130
(
2020
).
59.
G.
Kim
,
H.-S.
Kim
,
H. S.
Lee
,
J.
Kim
,
K. H.
Lee
,
J. W.
Roh
, and
W.
Lee
,
Nano Energy
72
,
104698
(
2020
).
60.
M.
Kumar
,
N.
Umezawa
,
W.
Zhou
, and
M.
Imai
,
J. Mater. Chem. A
5
,
25293
(
2017
).
61.
R.
Takabe
,
T.
Deng
,
K.
Kodama
,
Y.
Yamashita
,
T.
Sato
,
K.
Toko
, and
T.
Suemasu
,
J. Appl. Phys.
123
,
045703
(
2018
).
62.
W.
Li
,
S.
Lin
,
B.
Ge
,
J.
Yang
,
W.
Zhang
, and
Y.
Pei
,
Adv. Sci.
3
,
1600196
(
2016
).
63.
T.
Deng
,
T.
Suemasu
,
D. A.
Shohonov
,
I. S.
Samusevich
,
A. B.
Filonov
,
D. B.
Migas
, and
V. E.
Borisenko
,
Thin Solid Films
661
,
7
(
2018
).
64.
J. H.
Bahk
and
A.
Shakouri
,
Phys. Rev. B
93
,
165209
(
2016
).
65.
T.
Taniguchi
,
T.
Ishibe
,
N.
Naruse
,
Y.
Mera
,
M. M.
Alam
,
K.
Sawano
, and
Y.
Nakamura
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
25428
(
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.