Here, we present a thermoelectric phase diagram for the SrTi1−xNbxO3 (0.05 ≤ x ≤ 1) solid solution system, which we derived from the characterization of epitaxial films. We observed two thermoelectric phase boundaries in the system, which originate from the step-like decrease in carrier effective mass at x ∼ 0.3 and from a local minimum in carrier relaxation time at x ∼ 0.5. The origins of these phase boundaries are considered to be related to isovalent/heterovalent B-site substitution: parabolic Ti 3d orbitals dominate electron conduction for compositions with x < 0.3, whereas the Nb 4 d orbital dominates when x > 0.3. At x ∼ 0.5, a tetragonal distortion of the lattice, in which the B-site is composed of Ti4+ and Nb4+ ions, leads to the formation of tail-like impurity bands, which maximizes the electron scattering. These results provide a foundation for further research into improving the thermoelectric performance of SrTi1−xNbxO3.

1.
D. M.
Rowe
,
CRC Handbook of Thermoelectrics
(
CRC Press
,
1995
);
H. J.
Goldsmid
,
Introduction to Thermoelectricity
(
Springer
,
2010
).
2.
T. M.
Tritt
and
M. A.
Subramanian
,
MRS Bull.
31
,
188
(
2006
);
G. J.
Snyder
and
E. S.
Toberer
,
Nat. Mater.
7
,
105
(
2008
).
[PubMed]
3.
I.
Terasaki
,
Y.
Sasago
, and
K.
Uchinokura
,
Phys. Rev. B
56
,
12685
(
1997
);
M.
Lee
,
L.
Viciu
,
L.
Li
,
Y. Y.
Wang
,
M. L.
Foo
,
S.
Watauchi
,
R. A.
Pascal
,
R. J.
Cava
, and
N. P.
Ong
,
Nat. Mater.
5
,
537
(
2006
).
[PubMed]
4.
A. C.
Masset
,
C.
Michel
,
A.
Maignan
,
M.
Hervieu
,
O.
Toulemonde
,
F.
Studer
,
B.
Raveau
, and
J.
Hejtmanek
,
Phys. Rev. B
62
,
166
(
2000
);
S. W.
Li
,
R.
Funahashi
,
I.
Matsubara
,
K.
Ueno
, and
H.
Yamada
,
J. Mater. Chem.
9
,
1659
(
1999
).
5.
T.
Okuda
,
K.
Nakanishi
,
S.
Miyasaka
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. B
63
,
113104
(
2001
).
6.
S.
Ohta
,
T.
Nomura
,
H.
Ohta
, and
K.
Koumoto
,
J. Appl. Phys.
97
,
034106
(
2005
).
7.
S.
Ohta
,
T.
Nomura
,
H.
Ohta
,
M.
Hirano
,
H.
Hosono
, and
K.
Koumoto
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
092108
(
2005
).
8.
K.
Koumoto
,
R.
Funahashi
,
E.
Guilmeau
,
Y.
Miyazaki
,
A.
Weidenkaff
,
Y. F.
Wang
, and
C. L.
Wan
,
J. Am. Ceram. Soc.
96
,
1
(
2013
).
9.
H.
Ohta
,
K.
Sugiura
, and
K.
Koumoto
,
Inorg. Chem.
47
,
8429
(
2008
);
[PubMed]
J. W.
Fergus
,
J. Eur. Ceram. Soc.
32
,
525
(
2012
).
10.
H.
Ohta
,
S.
Kim
,
Y.
Mune
,
T.
Mizoguchi
,
K.
Nomura
,
S.
Ohta
,
T.
Nomura
,
Y.
Nakanishi
,
Y.
Ikuhara
,
M.
Hirano
,
H.
Hosono
, and
K.
Koumoto
,
Nat. Mater.
6
,
129
(
2007
).
11.
H.
Ohta
,
T.
Mizuno
,
S. J.
Zheng
,
T.
Kato
,
Y.
Ikuhara
,
K.
Abe
,
H.
Kumomi
,
K.
Nomura
, and
H.
Hosono
,
Adv. Mater.
24
,
740
(
2012
).
12.
W. S.
Choi
,
H.
Ohta
, and
H. N.
Lee
,
Adv. Mater.
26
,
6701
(
2014
);
[PubMed]
P.
Delugas
,
A.
Filippetti
,
M. J.
Verstraete
,
I.
Pallecchi
,
D.
Marre
, and
V.
Fiorentini
,
Phys. Rev. B
88
,
045310
(
2013
).
13.
T. A.
Cain
,
S.
Lee
,
P.
Moetakef
,
L.
Balents
,
S.
Stemmer
, and
S. J.
Allen
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
161601
(
2012
);
I.
Pallecchi
,
F.
Telesio
,
D. F.
Li
,
A.
Fete
,
S.
Gariglio
,
J. M.
Triscone
,
A.
Filippetti
,
P.
Delugas
,
V.
Fiorentini
, and
D.
Marre
,
Nat. Commun.
6
,
6678
(
2015
);
[PubMed]
S.
Shimizu
,
S.
Ono
,
T.
Hatano
,
Y.
Iwasa
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. B
92
,
165304
(
2015
).
14.
L. D.
Hicks
and
M. S.
Dresselhaus
,
Phys. Rev. B
47
,
12727
(
1993
);
N. T.
Hung
,
E. H.
Hasdeo
,
A. R. T.
Nugraha
,
M. S.
Dresselhaus
, and
R.
Saito
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
036602
(
2016
).
[PubMed]
15.
C.
Rodenbucher
,
M.
Luysberg
,
A.
Schwedt
,
V.
Havel
,
F.
Gunkel
,
J.
Mayer
, and
R.
Waser
,
Sci. Rep.-Uk.
6
,
32250
(
2016
).
16.
T.
Tomio
,
H.
Miki
,
H.
Tabata
,
T.
Kawai
, and
S.
Kawai
,
J. Appl. Phys.
76
,
5886
(
1994
).
17.
L. F.
Mattheiss
,
Phys. Rev. B
6
,
4718
(
1972
).
18.
S. A.
Turzhevsky
,
D. L.
Novikov
,
V. A.
Gubanov
, and
A. J.
Freeman
,
Phys. Rev. B
50
,
3200
(
1994
);
X. X.
Xu
,
C.
Randorn
,
P.
Efstathiou
, and
J. T. S.
Irvine
,
Nat. Mater.
11
,
595
(
2012
).
[PubMed]
19.
D.
Oka
,
Y.
Hirose
,
S.
Nakao
,
T.
Fukumura
, and
T.
Hasegawa
,
Phys. Rev. B
92
,
205102
(
2015
).
20.
M.
Yamamoto
,
H.
Ohta
, and
K.
Koumoto
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
072101
(
2007
).
21.
Y.
Mune
,
H.
Ohta
,
K.
Koumoto
,
T.
Mizoguchi
, and
Y.
Ikuhara
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
192105
(
2007
).
22.
P. E.
Blochl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
).
23.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
);
G.
Kresse
and
J.
Furthmuller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
24.
J.
Heyd
,
G. E.
Scuseria
, and
M.
Ernzerhof
,
J. Chem. Phys.
118
,
8207
(
2003
);
J.
Heyd
,
G. E.
Scuseria
, and
M.
Ernzerhof
,
J. Chem. Phys.
124
,
219906
(
2006
);
A. V.
Krukau
,
O. A.
Vydrov
,
A. F.
Izmaylov
, and
G. E.
Scuseria
,
J. Chem. Phys.
125
,
224106
(
2006
).
[PubMed]
25.
A.
Seko
,
Y.
Koyama
, and
I.
Tanaka
,
Phys. Rev. B
80
,
165122
(
2009
);
A.
Seko
: clupan [http://sourceforge.net/projects/clupan] (2007).
26.
R. D.
Shannon
,
Acta Crystallogr. A
32
,
751
(
1976
).
27.
Y.
Ishida
,
R.
Eguchi
,
M.
Matsunami
,
K.
Horiba
,
M.
Taguchi
,
A.
Chainani
,
Y.
Senba
,
H.
Ohashi
,
H.
Ohta
, and
S.
Shin
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
056401
(
2008
).
29.
P. K.
Davies
,
J. Z.
Tong
, and
T.
Negas
,
J. Am. Ceram. Soc.
80
,
1727
(
1997
).
30.
D. A.
Muller
,
N.
Nakagawa
,
A.
Ohtomo
,
J. L.
Grazul
, and
H. Y.
Hwang
,
Nature
430
,
657
(
2004
).
31.
C. L.
Chen
,
Z. C.
Wang
,
F.
Lichtenberg
,
Y.
Ikuhara
, and
J. G.
Bednorz
,
Nano Lett.
15
,
6469
(
2015
).
32.
O. N.
Tufte
and
P. W.
Chapman
,
Phys. Rev.
155
,
796
(
1967
).
33.
H. P. R.
Frederikse
,
W. R.
Thurber
, and
W. R.
Hosler
,
Phys. Rev.
134
,
A442
(
1964
).
34.
C. B.
Vining
,
J. Appl. Phys.
69
,
331
(
1991
).
35.
Y. T.
Zhu
,
Y.
Dai
,
K. R.
Lai
,
Z. J.
Li
, and
B. B.
Huang
,
J Phys Chem C
117
,
5593
(
2013
).
36.
S. K.
Poznyak
,
D. V.
Talapin
, and
A. I.
Kulak
,
J. Phys. Chem. B
105
,
4816
(
2001
).
You do not currently have access to this content.