We report on the synthesis, characterizations, and high-temperature thermoelectric properties of polycrystalline samples of Bi2−xPbxTe2Se for 0 ≤ x 0.03. Powder x-ray diffraction and scanning electron microscopy confirm the successful insertion of Pb into the hexagonal unit cell of the tetradymite Bi2Te2Se. Pb acts as an acceptor-like impurity, gradually shifting the lightly doped, n-type electronic properties of Bi2Te2Se toward heavily doped, p-type properties in Pb-containing samples, which is additionally confirmed by electronic structure calculations. The increased degenerate character results in high power factors while maintaining low thermal conductivity values. This favorable combination of thermoelectric properties yields a peak dimensionless figure of merit ZT of 0.70 at 425 K for x =0.02 in the direction perpendicular to the pressing direction.

1.
D. M.
Rowe
,
Thermoelectrics and its Energy Harvesting
(
CRC Press
,
Boca Raton, FL
,
2012
).
2.
H. J.
Goldsmid
,
Thermoelectric Refrigeration
(
Springer
,
New York
,
1964
).
3.
4.
I.
Petsagkourakis
,
K.
Tybrandt
,
X.
Crispin
,
I.
Ohkubo
,
N.
Satoh
, and
T.
Mori
,
Sci. Tech. Adv. Mater.
19
,
836
862
(
2018
).
5.
G.
Tan
,
L.-D.
Zhao
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Chem. Rev.
116
,
12123
(
2016
).
6.
J. W. G.
Bos
,
H. W.
Zandbergen
,
M.-H.
Lee
,
N. P.
Ong
, and
R. J.
Cava
,
Phys. Rev. B
75
,
195203
(
2007
).
7.
H.
Lind
,
S.
Lidin
, and
U.
Häussermann
,
Phys. Rev. B
72
,
184101
(
2005
).
8.
D. L.
Greenaway
and
G.
Harbeke
,
J. Phys. Chem. Solids
26
,
1585
1604
(
1965
).
9.
M. Z.
Mohyedin
,
M. F. M.
Taib
,
A.
Radzwan
,
A.
Shaari
,
M.
Mustaffa
,
B. U.
Haq
, and
M. Z. A.
Yahya
,
Comput. Theor. Chem.
1182
,
112851
(
2020
).
10.
S.
Lee
and
P.
Allmen
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
022107
(
2006
).
11.
J. P.
Heremans
,
R. J.
Cava
, and
N.
Samarth
,
Nat. Rev. Mater.
2
,
17049
(
2017
).
12.
I. T.
Witting
,
T. C.
Chasapis
,
F.
Ricci
,
M.
Peters
,
N. A.
Heinz
,
G.
Hautier
, and
G. J.
Snyder
,
Adv. Electron. Mater.
5
,
1800904
(
2019
).
13.
D. A.
Wright
,
Nature
181
,
834
834
(
1958
).
14.
D. O.
Scanlon
,
P. D. C.
King
,
R. P.
Singh
,
A.
de la Torre
,
S. McK.
Walker
,
G.
Balakrishnan
,
F.
Baumberger
, and
C. R. A.
Catlow
,
Adv. Mater.
24
,
2154
2158
(
2012
).
15.
S.
Jia
,
H.
Beidenkopf
,
I.
Drozdov
,
M. K.
Fuccillo
,
J.
Seo
,
J.
Xiong
,
N. P.
Ong
,
A.
Yazdani
, and
R. J.
Cava
,
Phys. Rev. B
86
,
165119
(
2012
).
16.
C.
Drasar
,
P.
Lostak
, and
C.
Uher
,
J. Electron. Mater.
39
,
2162
2164
(
2010
).
17.
G. R.
Miller
and
C.-Y.
Li
,
J. Phys. Chem. Solids
26
,
173
177
(
1965
).
18.
M.
Goto
,
M.
Sasaki
,
Y.
Xu
,
T.
Zhan
,
Y.
Isoda
, and
Y.
Shinohara
,
Appl. Surf. Sci.
407
,
405
411
(
2017
).
19.
O. B.
Sokolov
,
S. Ya.
Skipidarov
,
N. I.
Duvankov
, and
G. G.
Shabunina
,
Inorg. Mater.
43
,
8
11
(
2007
).
20.
M. B.
Babanly
,
E. V.
Chulkov
,
Z. S.
Aliev
,
A. V.
Shevelkov
, and
I. R.
Amiraslanov
,
Russ. J. Inorg. Chem.
62
,
1703
1729
(
2017
).
21.
L.-L.
Wang
,
M.
Huang
,
S.
Thimmaiah
,
A.
Alam
,
S. L.
Bud'ko
,
A.
Kaminski
,
T. A.
Lograsso
,
P.
Canfield
, and
D. D.
Johnson
,
Phys. Rev. B
87
,
125303
(
2013
).
22.
J.
Xiong
,
A. C.
Petersen
,
D.
Qu
,
Y. S.
Hor
,
R. J.
Cava
, and
N. P.
Ong
,
Physica E
44
,
917
920
(
2012
).
23.
J.
Nayak
,
G. H.
Fecher
,
S.
Ouardi
,
C.
Shekhar
,
C.
Tusche
,
S.
Ueda
,
E.
Ikenaga
, and
C.
Felser
,
Phys. Rev. B
98
,
075206
(
2018
).
24.
Z.
Ren
,
A. A.
Taskin
,
S.
Sasaki
,
K.
Segawa
, and
Y.
Ando
,
Phys. Rev. B
82
,
241306
(
2010
).
25.
J.
Xiong
,
Y.
Luo
,
Y.
Khoo
,
S.
Jia
,
R. J.
Cava
, and
N. P.
Ong
,
Phys. Rev. B
86
,
045314
(
2012
).
26.
S. K.
Kushwaha
,
Q. D.
Gibson
,
J.
Xiong
,
I.
Pletikosic
,
A. P.
Weber
,
A. V.
Fedorov
,
N. P.
Ong
,
T.
Valla
, and
R. J.
Cava
,
J. Appl. Phys.
115
,
143708
(
2014
).
27.
Z.
Ren
,
A. A.
Taskin
,
S.
Sasaki
,
K.
Segawa
, and
Y.
Ando
,
Phys. Rev. B
85
,
155301
(
2012
).
28.
J.-L.
Mi
,
M.
Bremholm
,
M.
Bianchi
,
K.
Borup
,
S.
Johnsen
,
M.
Søndergaard
,
D.
Guan
,
R. C.
Hatch
,
P.
Hofmann
, and
B. B.
Iversen
,
Adv. Mater.
25
,
889
893
(
2013
).
29.
M. K.
Fuccillo
,
S.
Jia
,
M. E.
Charles
, and
R. J.
Cava
,
J. Electron. Mater.
42
,
1246
1253
(
2013
).
30.
S.
Jia
,
H.
Ji
,
E.
Climent-Pascual
,
M. K.
Charles
,
J.
Xiong
,
N. P.
Ong
, and
R. J.
Cava
,
Phys. Rev. B
84
,
235206
(
2011
).
31.
B.-S.
Kim
,
G.
Lee
,
H.-J.
Lim
,
J.
Jang
,
J. E.
Lee
,
B.-K.
Min
,
S.-J.
Joo
,
S.
Park
,
B.-K.
Ryu
, and
H. S.
Lee
,
J. Electron. Mater.
49
,
5308
5316
(
2020
).
32.
T.
Plecháček
,
J.
Navrátil
,
J.
Horák
, and
P.
Lošták
,
Philos. Mag.
84
,
2217
2228
(
2004
).
33.
Y. S.
Hor
,
A.
Richardella
,
P.
Roushan
,
Y.
Xia
,
J. G.
Checkelsky
,
A.
Yazdani
,
M. Z.
Hasan
,
N. P.
Ong
, and
R. J.
Cava
,
Phys. Rev. B
79
,
195208
(
2009
).
34.
Z.
Wang
,
T.
Lin
,
P.
Wei
,
X.
Liu
,
R.
Dumas
,
K.
Liu
, and
J.
Shi
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
042112
(
2010
).
35.
Y. H.
Choi
,
N. H.
Jo
,
K. J.
Lee
,
H. W.
Lee
,
Y. H.
Jo
,
J.
Kajino
,
T.
Takabatake
,
K.-T.
Ko
,
J.-H.
Park
, and
M. H.
Jung
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
152103
(
2012
).
36.
L.-L.
Wang
and
D. D.
Johnson
,
Phys. Rev. B
83
,
241309(R)
(
2011
).
37.
A.
Bansil
,
S.
Kaprzyk
,
P. E.
Mijnarends
, and
J.
Tobola
,
Phys. Rev. B
60
,
13396
(
1999
).
38.
T.
Stopa
,
S.
Kaprzyk
, and
J.
Tobola
,
J. Phys.: Condens. Matter
16
,
4921
(
2004
).
39.
S.
Kaprzyk
and
A.
Bansil
,
Phys. Rev. B
42
,
7358
(
1990
).
40.
B.
Wiendlocha
,
J. Electron. Mater.
45
,
3515
(
2016
).
41.
H. J.
Goldsmid
and
J. W.
Sharp
,
J. Electron. Mater.
28
,
869
872
(
1999
).
42.
N. T.
Hung
,
A. R. T.
Nugraha
, and
R.
Saito
,
Nano Energy
58
,
743
749
(
2019
).
43.
Y.
Tian
,
G. B.
Osterhoudt
,
S.
Jia
,
R. J.
Cava
, and
K. S.
Burch
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
041911
(
2016
).
44.
N.
Fuschillo
,
J. N.
Bierly
, and
F. J.
Donahoe
,
J. Phys. Chem. Solids
8
,
430
433
(
1959
).
45.
G. J.
Snyder
,
A. H.
Snyder
,
M.
Wood
,
R.
Gurunathan
,
B. H.
Snyder
, and
C.
Niu
,
Adv. Mater.
32
,
2001537
(
2020
).
46.
G. D.
Mahan
,
Solid State Phys.
51
,
81
157
(
1998
).
47.
G. D.
Mahan
,
J. Appl. Phys.
65
,
1578
1583
(
1989
).
48.
R. P.
Chasmar
and
R.
Stratton
,
Int. J. Electron.
7
,
52
72
(
1959
).
49.
M.
Hong
,
T. C.
Chasapis
,
Z. G.
Chen
,
L.
Yang
,
M. G.
Kanatzidis
,
G. J.
Snyder
, and
J.
Zou
,
ACS Nano
10
,
4719
(
2016
).
50.
Ö.
Ceyda Yelgel
and
G. P.
Srivastava
,
Phys. Rev. B
85
,
125207
(
2012
).
51.
V.
Ohorodniichuk
,
S.
El-Oualid
,
A.
Dauscher
,
C.
Candolfi
,
P.
Masschelein
,
S.
Migot
,
P.
Dalicieux
,
P.
Baranek
, and
B.
Lenoir
,
J. Mater. Sci.
55
,
1092
1106
(
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.