Yb-Bi共掺杂菱方GeTe的热电性能优化：晶格稳定与声子散射协同增强策略

本文通过Yb-Bi共掺杂结合快速凝固技术，实现了GeTe基材料在中低温区（323-623K）热电性能的突破性提升。研究发现Yb掺杂可提升价带顶（VBM）能带简并度，增加空穴有效质量（m*），同时通过纳米析出相和位错网络强化声子散射，最终使Yb0.010Bi0.07Ge0.9Te的ZTave较单掺Bi样品提升16%，为无铅热电材料设计提供新思路。

　　

亮点

本研究揭示了Yb-Bi共掺杂对GeTe热电性能的双重调控机制：Yb³⁺的4f电子局域磁矩提升塞贝克系数（S），而Yb与基体的质量/应变场差异显著降低晶格热导率（κ_L）。

样品合成

采用熔体旋淬技术（冷却速率达10⁷ K/s）制备Yb_xBi_0.07Ge_0.9Te（x=0-0.020）系列样品，高纯元素在1273K熔融后快速凝固，获得均匀纳米结构。

Yb掺杂Bi_0.07Ge_0.9Te的微观结构

透射电镜显示Yb掺杂形成5-20nm富Yb纳米沉淀相，伴随高密度位错网络和畴界。这种"声子玻璃-电子晶体"结构使κ_L降至0.8 W m^-1 K^-1。

讨论

密度泛函理论（DFT）计算表明Yb-Bi共掺杂使价带顶出现能带收敛（band convergence），L→Σ谷能量差缩小至0.15eV，空穴有效质量增加40%。

结论

通过精准控制Yb掺杂量（0.5-1.0 at%），在保持高功率因子（PF=45 μW cm^-1 K^-2）的同时实现κ_L的显著降低，为开发环境友好型中温热电材料提供新范式。