Enhancing the Thermoelectric Properties via Modulation of Defects in P-Type MNiSn-Based (M = Hf, Zr, Ti) Half-Heusler Materials

Publikation: Beitrag in FachzeitschriftForschungsartikelBeigetragenBegutachtung

Beitragende

  • Xin Ai - , Professur für Metallische Werkstoffe und Metallphysik (gB/IFW), Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Autor:in)
  • Binghua Lei - , University of Missouri (Autor:in)
  • Magdalena O. Cichocka - , Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Autor:in)
  • Lars Giebeler - , Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Autor:in)
  • Ruben Bueno Villoro - , Max Planck Institute for Iron Research (Autor:in)
  • Siyuan Zhang - , Max Planck Institute for Iron Research (Autor:in)
  • Christina Scheu - , Max Planck Institute for Iron Research (Autor:in)
  • Nicolás Pérez - , Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Autor:in)
  • Qihao Zhang - , Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Autor:in)
  • Andrei Sotnikov - , Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Autor:in)
  • David J. Singh - , University of Missouri (Autor:in)
  • Kornelius Nielsch - , Professur für Metallische Werkstoffe und Metallphysik (gB/IFW), Institut für Angewandte Physik (IAP), Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Autor:in)
  • Ran He - , Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (Autor:in)

Abstract

The thermoelectric figure-of-merit (zT) of p-type MNiSn (M = Ti, Zr, or Hf) half-Heusler compounds is lower than their n-type counterparts due to the presence of a donor in-gap state caused by Ni occupying tetrahedral interstitials. While ZrNiSn and TiNiSn, have been extensively studied, HfNiSn remains unexplored. Herein, this study reports an improved thermoelectric property in p-type HfNi1−xCoxSn. By doping 5 at% Co at the Ni sites, the Seebeck coefficient becomes reaching a peak value exceeding 200 µV K−1 that breaks the record of previous reports. A maximum power factor of ≈2.2 mW m−1 K−2 at 973 K is achieved by optimizing the carrier concentration. The enhanced p-type transport is ascribed to the reduced content of Ni defects, supported by first principle calculations and diffraction pattern refinement. Concomitantly, Co doping also softens the lattice and scatters phonons, resulting in a minimum lattice thermal conductivity of ≈1.8 W m−1 K−1. This leads to a peak zT of 0.55 at 973 K is realized, surpassing the best performing p-type MNiSn by 100%. This approach offers a new method to manipulate the intrinsic atomic disorder in half-Heusler materials, facilitating further optimization of their electronic and thermal properties.

Details

OriginalspracheEnglisch
Aufsatznummer2305582
FachzeitschriftAdvanced functional materials
Jahrgang33
Ausgabenummer48
PublikationsstatusVeröffentlicht - 23 Nov. 2023
Peer-Review-StatusJa

Schlagworte

Schlagwörter

  • half-Heusler, interstitial defects, mechanical alloying, p-type HfNiSn, thermoelectrics