Engineering Thermoelectric Performance of α-GeTe by Ferroelectric Distortion

Abstract

The rhombohedral α-GeTe can be approximated as a slightly distorted rock-salt structure along its [1 1 1] direction and possesses superb thermoelectric performance. However, the role of such a ferroelectric-like structural distortion on its transport properties remains unclear. Herein, we performed a systematic study on the crystal structure and electronic band structure evolutions of Ge_1-xSn_xTe alloys where the degree of ferroelectric distortion is continuously tuned. It is revealed that the band gap is maximized while multiple valence bands are converged at x = 0.6, where the ferroelectric distortion is the least but still works. Once undistorted, the band gap is considerably reduced, and the valence bands are largely separated again. Moreover, near the ferro-to-paraelectric phase transition Curie temperature, the lattice thermal conductivity reaches its minima because of significant lattice softening enabled by ferroelectric instability. We predict a peak ZT value of 2.6 at 673 K in α-GeTe by use of proper dopants which are powerful in suppressing the excess hole concentrations but meanwhile exert little influence on the ferroelectric distortion.

Keywords

electronic band structures / ferroelectric distortion / lattice softening / thermoelectric / α-GeTe

References

[1] G. Xie , Z. Li , T. Luo , H. Bai , J. Sun , Y. Xiao , L.-D. Zhao , J. Wu , G. Tan , X. Tang , Nano Energy 2020, 69, 104395.

[2] B. Poudel , Q. Hao , Y. Ma , Y. Lan , A. Minnich , B. Yu , X. Yan , D. Wang , A. Muto , D. Vashaee , Science 2008, 320, 634.

[3] X. Yang , Y. Tian , B. Wu , W. Jia , C. Hou , Q. Zhang , Y. Li , H. Wang , Energy Environ. Mater. 2022, 5, 954.

[4] Z. Saadi , S. G. King , J. V. Anguita , V. Stolojan , S. R. P. Silva , Energy Environ. Mater. 2021,

[5] R. Cheng , D. Wang , H. Bai , J. Wu , W. Liu , L.-D. Zhao , X. Tang , G. Tan , Acta Mater. 2021, 220, 220.

[6] G. Tan , L. D. Zhao , M. G. Kanatzidis , Chem. Rev. 2016, 116, 12123.

[7] G. Wang , Y. Chen , A. Lotnyk , X. Shen , H. Shi , Chem. Eng. J. 2022, 444, 136599.

[8] Y. Chen , X. Shen , F. Liu , G. Wang , A. Lotnyk , Scripta Mater. 2022, 218, 114848.

[9] L. Wang , K. Zhang , Energy Environ. Mater. 2020, 3, 67.

[10] Y. Pei , X. Shi , A. LaLonde , H. Wang , L. Chen , G. J. Snyder , Nature 2011, 473, 66.

[11] Y. Tang , Z. M. Gibbs , L. A. Agapito , G. Li , H.-S. Kim , M. B. Nardelli , S. Curtarolo , G. J. Snyder , Nat. Mater. 2015, 14, 1223.

[12] K. Imasato , S. D. Kang , S. Ohno , G. J. Snyder , Mater. Horiz. 2018, 5, 59.

[13] J. P. Heremans , V. Jovovic , E. S. Toberer , A. Saramat , K. Kurosaki , A. Charoenphakdee , S. Yamanaka , G. J. Snyder , Science 2008, 321, 554.

[14] L. Wu , X. Li , S. Wang , T. Zhang , J. Yang , W. Zhang , L. Chen , J. Yang , NPG Asia Mater. 2017, 9, e343.

[15] K. Biswas , J. He , I. D. Blum , C. I. Wu , T. P. Hogan , D. N. Seidman , V. P. Dravid , M. G. Kanatzidis , Nature 2012, 489, 414.

[16] J. Li , X. Zhang , S. Lin , Z. Chen , Y. Pei , Chem. Mater. 2017, 29, 605.

[17] G. Tan , X. Zhang , S. Hao , H. Chi , T. P. Bailey , X. Su , C. Uher , V. P. Dravid , C. Wolverton , M. G. Kanatzidis , ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 9197.

[18] G. Tan , F. Shi , S. Hao , L.-D. Zhao , H. Chi , X. Zhang , C. Uher , C. Wolverton , V. P. Dravid , M. G. Kanatzidis , Nat. Commun. 2016, 7, 12167.

[19] Y.-F. Tsai , M.-Y. Ho , P.-C. Wei , H.-J. Wu , Acta Mater. 2022, 222, 222.

[20] D. Freik , I. Gorichok , L. Yurchyshyn , Chem. Metals Alloys 2012, 5, 155.

[21] E. Nshimyimana , S. Hao , X. Su , C. Zhang , W. Liu , Y. Yan , C. Uher , C. Wolverton , M. G. Kanatzidis , X. Tang , J. Mater. Chem. A 2020, 8, 1193.

[22] T. Xing , C. Zhu , Q. Song , H. Huang , J. Xiao , D. Ren , M. Shi , P. Qiu , X. Shi , F. Xu , L. Chen , Adv. Mater. 2021, 33, 2008773.

[23] Y. Zhang , J. Sun , J. Shuai , X. Tang , G. Tan , Mater. Today Phys. 2021, 19, 100405.

[24] J. Li , Z. Chen , X. Zhang , Y. Sun , J. Yang , Y. Pei , NPG Asia Mater. 2017, 9, e353.

[25] M. Hong , J. Zou , Z. G. Chen , Adv. Mater. 2019, 31, e1807071.

[26] J. Shuai , X. J. Tan , Q. Guo , J. T. Xu , A. Gellé , R. Gautier , J. F. Halet , F. Failamani , J. Jiang , T. Mori , Mater. Today Phys. 2019, 9, 100094.

[27] M. Li , M. Hong , X. Tang , Q. Sun , W.-Y. Lyu , S.-D. Xu , L.-Z. Kou , M. Dargusch , J. Zou , Z.-G. Chen , Nano Energy 2020, 73, 104740.

[28] S. Perumal , S. Roychowdhury , D. S. Negi , R. Datta , K. Biswas , Chem. Mater. 2015, 27, 7171.

[29] Y. Jin , D. Wang , Y. Qiu , L.-D. Zhao , J. Mater. Chem. C 2021, 9, 6484.

[30] M. Hong , Z. G. Chen , L. Yang , Y. C. Zou , M. S. Dargusch , H. Wang , J. Zou , Adv. Mater. 2018, 30, 1705942.

[31] J. Dong , F.-H. Sun , H. Tang , J. Pei , H.-L. Zhuang , H.-H. Hu , B.-P. Zhang , Y. Pan , J.-F. Li , Energy Environ. Sci. 2019, 12, 1396.

[32] Z. Liu , J. Sun , J. Mao , H. Zhu , W. Ren , J. Zhou , Z. Wang , D. J. Singh , J. Sui , C.-W. Chu , Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2018, 115, 5332.

[33] S. Perumal , S. Roychowdhury , K. Biswas , Inorg. Chem. Front. 2016, 3, 125.

[34] Z. Zheng , X. Su , R. Deng , C. Stoumpos , H. Xie , W. Liu , Y. Yan , S. Hao , C. Uher , C. Wolverton , M. G. Kanatzidis , X. Tang , J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 2673.

[35] A. Kumar , P. Bhumla , T. Parashchuk , S. Bäran , S. Bhattacharya , K. T. Wojciechowski , Chem. Mater. 2021, 33, 3611.

[36] X. Zhang , Z. Bu , S. Lin , Z. Chen , W. Li , Y. Pei , Joule 2020, 4, 986.

[37] Z. Liu , W. Gao , W. Zhang , N. Sato , Q. Guo , T. Mori , Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2002588.

[38] L. Guarneri , S. Jakobs , A. von Hoegen , S. Maier , M. Xu , M. Zhu , S. Wahl , C. Teichrib , Y. Zhou , O. Cojocaru-Mirédin , M. Raghuwanshi , C.-F. Schön , M. Drögeler , C. Stampfer , R. P. S. M. Lobo , A. Piarristeguy , A. Pradel , J.-Y. Raty , M. Wuttig , Adv. Mater. 2021, 33, 2102356.

[39] J. He , M. Tritt Terry , Science 2017, 357, eaak9997.

[40] A. Banik , T. Ghosh , R. Arora , M. Dutta , J. Pandey , S. Acharya , A. Soni , U. V. Waghmare , K. Biswas , Energy Environ. Sci. 2019, 12, 589.

[41] J. Shuai , Y. Sun , X. Tan , T. Mori , Small 2020, 16, 16.

[42] Y. Zhang , J. Li , W. Hu , X. Yang , X. Tang , G. J. M. T. E. Tan , Mater. Today Energy 2022, 25, 100958.

[43] K. Jeong , S. Park , D. Park , M. Ahn , J. Han , W. Yang , H.-S. Jeong , M.-H. Cho , Sci. Rep. 2017, 7, 955.

[44] R. M. Badger , J. Chem. Phys. 1934, 2, 128.

[45] C. T. Nelson , B. Winchester , Y. Zhang , S.-J. Kim , A. Melville , C. Adamo , C. M. Folkman , S.-H. Baek , C.-B. Eom , D. G. Schlom , Nano Lett. 2011, 11, 828.

[46] X. Meng , S. Chen , H. Peng , H. Bai , S. Zhang , X. Su , G. Tan , G. Van Tendeloo , Z. Sun , Q. Zhang , X. Tang , J. Wu , Sci. China Mater. 2022, 65, 1615.

[47] D. Wu , L.-D. Zhao , S. Hao , Q. Jiang , F. Zheng , J. W. Doak , H. Wu , H. Chi , Y. Gelbstein , C. Uher , C. Wolverton , M. Kanatzidis , J. He , J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 11412.

[48] D. Wu , L. Xie , X. Xu , J. He , Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1806613.

[49] A. H. Edwards , A. C. Pineda , P. A. Schultz , M. G. Martin , A. P. Thompson , H. P. Hjalmarson , C. J. Umrigar , Phys. Rev. B 2006, 73, 045210.

[50] A. V. Kolobov , P. Fons , J. Tominaga , Phys. Rev. B 2013, 87, 155204.

[51] A. V. Kolobov , P. Fons , J. Tominaga , Phys. Status Solidi B 2012, 249, 1902.

[52] Y. Dou , J. Li , Y. Xie , X. Wu , L. Hu , F. Liu , W. Ao , Y. Liu , C. Zhang , Mater. Today Phys. 2021, 20, 100497.

[53] T. Chattopadhyay , J. X. Boucherle , H. G. vonSchnering , J. Phys. C Solid State Phys. 1987, 20, 1431.

[54] K. S. Bayikadi , R. Sankar , C. T. Wu , C. Xia , Y. Chen , L.-C. Chen , K.-H. Chen , F.-C. Chou , J. Mater. Chem. A 2019, 7, 15181.

[55] J. N. Bierly , L. Muldawer , O. Beckman , Acta Metall. 1963, 11, 447.

[56] M. Hong , W. Lyv , M. Li , S. Xu , Q. Sun , J. Zou , Z.-G. Chen , Joule 2020, 4, 2030.

[57] M. Yan , X. Tan , Z. Huang , G. Liu , P. Jiang , X. Bao , J. Mater. Chem. A 2018, 6, 8215.

[58] J. Li , X. Zhang , Z. Chen , S. Lin , W. Li , J. Shen , I. T. Witting , A. Faghaninia , Y. Chen , A. Jain , L. Chen , G. J. Snyder , Y. Pei , Joule 2018, 2, 976.

[59] W.-D. Liu , D.-Z. Wang , Q. Liu , W. Zhou , Z. Shao , Z.-G. Chen , Adv. Energy Mater. 2020, 10, 2000367.

[60] C.-L. Chen , H. Wang , Y.-Y. Chen , T. Day , G. J. Snyder , J. Mater. Chem. A 2014, 2, 11171.

[61] T. Zhou , Z. Feng , J. Mao , J. Jiang , H. Zhu , D. J. Singh , C. Wang , Z. Ren , Chem. Mater. 2020, 32, 776.

[62] C. Fu , S. Bai , Y. Liu , Y. Tang , L. Chen , X. Zhao , T. Zhu , Nat. Commun. 2015,

[63] J. Sun , X. Su , Y. Yan , W. Liu , G. Tan , X. Tang , ACS Appl. Energ. Mater. 2019, 3, 2.

[64] J. Zhu , X. Zhang , M. Guo , J. Li , J. Hu , S. Cai , W. Cai , Y. Zhang , J. Sui , NPJ Comput. Mater. 2021,

[65] M. Hong , Z.-G. Chen , S. Matsumura , J. Zou , Nano Energy 2018, 50, 785.

[66] Y. Qiu , Y. Jin , D. Wang , M. Guan , W. He , S. Peng , R. Liu , X. Gao , L.-D. Zhao , J. Mater. Chem. A 2019, 7, 26393.

[67] M. Samanta , K. Biswas , J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 9382.

[68] E. F. Steigmeier , G. Harbeke , Solid State Commun. 1970, 8, 1275.

[69] P. B. Littlewood , J. Phys. C Solid State Phys. 1980, 13, 4875.

[70] P. B. Littlewood , J. Phys. C Solid State Phys. 1980, 13, 4855.

[71] P. B. Littlewood , Crit. Rev. Solid State 1983, 11, 229.

[72] J. Callaway , Phys. Rev. 1959, 113, 1046.

[73] J. Callaway , H. C. von Baeyer , Phys. Rev. 1960, 120, 1149.

[74] J. Yang , G. P. Meisner , L. Chen , Appl. Phys. Lett. 2004, 85, 1140.

[75] P. G. Klemens , Phys. Rev. 1960, 119, 507.

[76] R. M. Murphy , É. D. Murray , S. Fahy , I. Savić , Phys. Rev. B 2017, 95, 144302.

[77] L.-C. Yin , W.-D. Liu , M. Li , Q. Sun , H. Gao , D.-Z. Wang , H. Wu , Y.-F. Wang , X.-L. Shi , Q. Liu , Z.-G. Chen , Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2102913.

[78] D. G. Cahill , S. K. Watson , R. O. Pohl , Phys. Rev. B 1992, 46, 6131.

[79] G. Kresse , J. Furthmüller , Phys. Rev. B 1996, 54, 11169.

[80] W. Cao , Z. Wang , L. Miao , J. Shi , R. Xiong , Energy Environ. Mater. 2022.

[81] J. P. Perdew , K. Burke , M. Ernzerhof , Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865.

RIGHTS & PERMISSIONS

2022 The Authors. Energy & Environmental Materials published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Zhengzhou University.