Interplay between chemical bonding, band structure and charge transport in thermoelectric chalcogenides

Cagnoni, Matteo; Mazzarello, Riccardo; Gatti, Carlo; Wuttig, Matthias

doi:38349

Interplay between chemical bonding, band structure and charge transport in thermoelectric chalcogenides = Zusammenspiel von chemischer Bindung, Bandstruktur und Ladungstransport in thermoelektrischen Chalkogeniden

Cagnoni, Matteo^RWTH*

2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Matteo Cagnoni, M.Sc.

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (ix, 152 Seiten, Seite xi-xiii) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)^RWTH* ; Gatti, Carlo (Thesis advisor) ; Mazzarello, Riccardo (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-06-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-06574
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/763979/files/763979.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Band structure (frei) ; Chalcogenides (frei) ; Chemical bonding (frei) ; Thermoelectrics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Thermoelektrische Stromerzeuger könnten helfen, den CO2-Fußabdruck der Menschheit zu reduzieren, indem sie Abwärme in Strom umwandeln. Es wird umfangreiche Forschung durchgeführt, um Materialien mit geeigneten thermoelektrischen Leistungswerten zu identifizieren. Dennoch sind die geforderten Werte bisher schwer fassbar. Die besten thermoelektrischen Leistungen wurden bisher in kristallinen IV-Chalkogeniden gefunden, deren herausragende Eigenschaften komplexen Bandstrukturen und intrinsisch niedrigen Wärmeleitfähigkeit zugeschrieben wurden. Die vorliegende Dissertation zielt darauf ab, einen neuartigen Ansatz zur Identifizierung von Chalkogeniden zu entwickeln, die für thermoelektrische Anwendungen geeignet sind. Die Arbeit beginnt mit dem Ableiten einer Korrelation zwischen metavalenter Bindung, Oktaeder Koordination und hoher thermoelektrischer Leistung in kristallinen p3-Chalkogeniden. Eine Verbindung zwischen den drei Eigenschaften wird durch die Untersuchung des Ladungstransports in kristallinen GeSexTe1-x- und GexSn1-xTe-Legierungen nachgewiesen. Die starke Anisotropie des effektiven-Massen-tensors der relevanten Ladungsträger ist der zugrundeliegende Mechanismus. Andere Aspekte des Ladungstransports werden ebenfalls untersucht. Anschließend wird ein Tight-Binding Modell für die Bandstruktur der kristallinen IV-Chalkogenide mit metavalenter Bindung und Oktaeder Koordination definiert, das Bandlücken und effektiven-Massen-tensor mit intuitiven chemischen Koordinaten in Beziehung setzt. Das Modell kann die experimentellen Ergebnisse erklären und die Definition einfacher Konstruktionsregeln für thermoelektrische Chalkogenide ermöglichen. Zusätzlich wird es mit der k⋅p Methode kombiniert, um Tight-Binding Parameter (Bindungsenergien) zu bestimmen und die Bandstrukturen der untersuchten Proben aus den experimentellen Daten zu schätzen. Die Arbeit vermittelt ein besseres Verständnis thermoelektrischer Chalkogenide und soll die Entdeckung neuer Materialien für thermoelektrische Anwendungen beschleunigen.

Thermoelectric power generators could aid reducing the carbon footprint of mankind by converting waste heat into electricity. Extensive research is being conducted to identify materials with suitable thermoelectric figures of merit. Yet, the values required have been elusive so far. The best thermoelectric performances to-date have been found in crystalline group IV chalcogenides, whose outstanding properties have been attributed to complex band structures and intrinsically low lattice thermal conductivities. The present dissertation aims at establishing a novel approach to identify chalcogenides suitable for thermoelectric applications. The work starts by inferring a correlation between metavalent bonding, octahedral coordination and high thermoelectric performance in crystalline p3 chalcogenides. A link between the three properties is proven by investigating charge transport in crystalline GeSe¬xTe1-x and GexSn1-xTe alloys. The strong anisotropy of the effective mass tensor of the relevant charge carriers is found to be the underlying mechanism. Other aspects of charge transport are also studied. Afterwards, a tight-binding model is defined for the band structure of crystalline group IV chalcogenides with metavalent bonding and octahedral coordination, which relates band gap and effective mass tensor to intuitive chemical coordinates. The model can explain the experimental findings and enables the definition of simple design rules for thermoelectric chalcogenides. Additionally, it is combined with the k⋅p method to determine tight-binding parameters (bond energies) and estimate the band structures of the samples under study from the experimental data. The work provides a better understanding of thermoelectric chalcogenides and is expected to accelerate the discovery of new materials for thermoelectric applications.

OpenAccess:
PDF
(zusätzliche Dateien)