Thermal conductivity of GeBiTe solid solutions

О.М. Матківський; В.Р. Балан; М.О. Галущак; І.Б. Дадяк; Г.Д. Матеїк; І.В. Горічок

doi:10.15330/pcss.25.1.185-190

Автор(и)

О.М. Матківський Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
В.Р. Балан Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
М.О. Галущак Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ, Україна
І.Б. Дадяк Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна
Г.Д. Матеїк Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, Івано-Франківськ, Україна
І.В. Горічок Прикарпатський національний університет імені Василя Стефаника, Івано-Франківськ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.25.1.185-190

Ключові слова:

телурид германію, термоелектричні властивості, коефіцієнт теплопровідності

Анотація

В роботі проведено розрахунок електронної та граткової складової коефіцієнтів теплопровідності для твердих розчинів GeBiTe. Розрахунок проведено з використанням двох відмінних моделей зонної структури GeTe, які відрізняються взаємним розташуванням зон важких та легких дірок. Перша з моделей є загальноприйнятою для сполук А⁴В⁶ та передбачає розташування зони легких дірок над зоною важких у енергетичному спектрі. Інша модель, отримана на основі DFT розрахунку, передбачає розташування зони легких дірок нижче зони важких. Встановлена значна відмінність в числових значення електронної та граткової складової коефіцієнтів теплопровідні в залежності від прийнятої моделі. Проаналізовано вплив інших параметрів розрахунку на досліджувані величини.

Посилання

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, Low-Symmetry Rhombohedral GeTe Thermoelectrics, Joule, 2, 976 (2018); https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.02.016.

Min Hong, Zhi-Gang Chen, Lei Yang, Yi-Chao Zou, Matthew S. Dargusch, Hao Wang, and Jin Zou, Realizing ZT of 2.3 in Ge1−x−ySbxInyTe via Reducing the Phase-Transition Temperature and Introducing Resonant Energy Doping, Adv. Mater., 1705942 (2018); https://doi.org/10.1002/adma.201705942.

S. Perumal, M. Samanta, T. Ghosh, U.S. Shenoy, A.K. Bohra, S. Bhattacharya et al, Realization of High Thermoelectric Figure of Merit in GeTe by Complementary Co-doping of Bi and In, Joule, 3, 2565(2019); https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.08.017.

S. Perumal, P. Bellare, U.S. Shenoy, U.V. Waghmare, and K. Biswas, Low Thermal Conductivity and High Thermoelectric Performance in Sb and Bi Codoped GeTe: Complementary Effect of Band Convergence and Nanostructuring, Chem. Mater., 29, 10426 (2017); https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b04023.

David J. Singh, Optical properties of cubic and rhombohedral GeTe, J. Appl. Phys., 113, 203101 (2013); https://doi.org/10.1063/1.4807638.

Juan Li, Xinyue Zhang, Siqi Lin, Zhiwei Chen, and Yanzhong Pei, Realizing the High Thermoelectric Performance of GeTe by Sb-Doping and Se-Alloying, Chem. Mater., 29, 605 (2017); https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.6b04066.

A. Kumar, P. Bhumla, T. Parashchuk, S. Baran, S. Bhattacharya, and K.T. Wojciechowski, Engineering Electronic Structure and Lattice Dynamics to Achieve Enhanced Thermoelectric Performance of Mn–Sb Co-Doped GeTe, Chem. Mater. 33, 3611 (2021); https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c00331.

Y. Gelbstein, Z. Dashevsky, M.P. Dariel, Highly efficient bismuth telluride doped p-type Pb0.13Ge0.87Te for thermoelectric applications, Phys. Status Solidi RRL – Rapid Research Letters, 1, 232 (2007); https://doi.org/10.1002/pssr.200701160.

Y. Gelbstein, J. Davidow, Highly efficient functional GexPb1−xTe based thermoelectric alloys, Phys. Chem. Chem. Phys., 16, 20120 (2014); https://doi.org/10.1039/C4CP02399D.

Y. Gelbstein, J. Davidow, E. Leshem, O. Pinshow, and S. Moisa, Significant lattice thermal conductivity reduction following phase separation of the highly efficient GexPb1-xTe thermoelectric alloys, Phys. Status Solidi B, 251(7), 1431 (2014); https://doi.org/10.1002/pssb.201451088.

L.E. Shelimova, N.H. Abrikosov, V. V. Zhdanov, Ge-Te system in the GeTe compound, Journ. Inojg. Chem., 10(5), 1200 (1965).

Z. Liu, N. Sato, Q. Guo, W. Gao, T. Mori, Shaping the role of germanium vacancies in germanium telluride: metastable cubic structure stabilization, band structure modification, and stable N-type conduction, NPG Asia Mater., 12, 1 (2020); https://doi.org/10.1038/s41427-020-00247-y.

A. Edwards, Theory of Intrinsic Defects in Crystalline GeTe and of Their Role in Free Carrier Transport. Final Report, Kirtland: Air force research laboratory (2008).

P.I. Konsyn, Temperature dependences of the band gap and electronic spectra of ferroelectric semiconductors of the A4B6 type, Solid State Physics, 24(5), 1321 (1982).

L.M. Sysoeva, E.Ya. Lev, N.V. Kolomoets, Changing the energy spectrum of germanium telluride current carriers by creating solid solutions based on it, Physics of Thin Films, 3(4), 604 (1969).

T. Parashchuk, A. Shabaldin, O. Cherniushok, P. Konstantinov, I. Horichok, Origins of the enhanced thermoelectric performance for p-type Ge1-xPbxTe alloys, Physica B: Condensed Matter, 596(46), 412397 (2020); https://doi.org/10.1016/j.physb.2020.412397.

Z. Dashevsky, I. Horichok, M. Maksymuk, A. R. Muchtar, B. Srinivasan, T. Mori, Feasibility of high performance in p-type Ge1-xBixTe materials for thermoelectric modules, J. Am. Ceram. Soc., 1 (2022); https://doi.org/10.1111/jace.18371.

B.M. Askerov, Electron Transport Phenomena in Semiconductors, (1994); https://doi.org/10.1142/1926.

P.B. Littlewood, Phase transitions and optical properties of IV-Vl compounds, Cond-Mat. Mtrl.-Sci, 48, 238 (2007).

P.M. Nicolic, Some optical propperties of lead-tin-chalcogenide alloys, Matematica i fizika, 354 (1971).

Y.I. Ravich, B.A. Efimova, I.A. Smirnov, Semiconducting Lead Chalcogenides. Ed. By L. S. Stil’bans, Springer Science+Business Media New York (1970). https://doi.org/10.1007/978-1-4684-8607-0.

O.Z Khshanovska, M.O. Halushchak, O.M. Matkivskyi, I.V. Horichok, Analysis of heat conductivity mechanisms in PbSnTe solid solutions, Physics and Chemistry of Solid State, 24(3), 564 (2023); https://doi.org/10.15330/pcss.24.3.564-577.