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.
References
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.
L. E.
Bell
, Science
321
, 1457
–1461
(2008
).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
).© 2021 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2021
Author(s)
You do not currently have access to this content.
