Please wait a minute...
Frontiers in Energy

ISSN 2095-1701

ISSN 2095-1698(Online)

CN 11-6017/TK

Postal Subscription Code 80-972

2018 Impact Factor: 1.701

Front. Energy    2018, Vol. 12 Issue (1) : 97-108    https://doi.org/10.1007/s11708-018-0543-5
REVIEW ARTICLE
Nanostructural thermoelectric materials and their performance
Kai-Xuan CHEN, Min-Shan LI, Dong-Chuan MO(), Shu-Shen LYU()
School of Chemical Engineering and Technology, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China; Guangdong Engineering Technology Research Centre for Advanced Thermal Control Material and System Integration (ATCMSI), Guangzhou 510275, China
 Download: PDF(351 KB)   HTML
 Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
Abstract

In this review, an attempt was made to introduce the traditional concepts and materials in thermoelectric application and the recent development in searching high-performance thermoelectric materials. Due to the use of nanostructural engineering, thermoelectric materials with a high figure of merit are designed, leading to their blooming application in the energy field. One dimensional nanotubes and nanoribbons, two-dimensional planner structures, nanocomposites, and heterostructures were summarized. In addition, the state-of-the-art theoretical calculation in the prediction of thermoelectric materials was also reviewed, including the molecular dynamics (MD), Boltzmann transport equation, and non-equilibrium Green’s function. The combination of experimental fabrication and first-principles prediction significantly promotes the discovery of new promising candidates in the thermoelectric field.

Keywords nanostructural      low-dimensional      thermoelectric material      figure of merit      first-principles     
Corresponding Author(s): Dong-Chuan MO,Shu-Shen LYU   
Just Accepted Date: 19 January 2018   Online First Date: 07 February 2018    Issue Date: 08 March 2018
 Cite this article:   
Kai-Xuan CHEN,Min-Shan LI,Dong-Chuan MO, et al. Nanostructural thermoelectric materials and their performance[J]. Front. Energy, 2018, 12(1): 97-108.
 URL:  
https://academic.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-018-0543-5
https://academic.hep.com.cn/fie/EN/Y2018/V12/I1/97
Fig.1  Thermoelectric efficiency (hTE) plotted for different temperature gradient between the hot side and the cold side where the cold side is assumed to be at room temperature (300 K)
Fig.2  Variation of thermoelectric factors against carrier concentration
Fig.3  Development of ZT in the past several decades (The reference number of the original data are denoted in the center of the symbol. For Bi2Te3 series, the references sorted by years are Refs. [1627]. The references for Zn4Sb3, PbTe and SiGe series are Refs. [2831], [3239], and [34,4044], respectively.)
Reference Year Samples ZT Temperature/K
Chung et al. [22] 2000 p-Type CsBi4Te6 0.8 225
Venkatasubramanian et al. [15] 2001 p-Type Bi2Te3/Sb2Te3 and n-type Bi2Te3/Bi2Te2.83Se0.17 2.4/1.4 300
Polvani et al. [45] 2001 p-Type Bi0.5Sb1.5Te3 alloy under 2GPa >2 300
Sidorenko et al. [46] 2001 Crystals of Bi-Sb alloy under a magnetic field >1 100
Chung et al. [23] 2004 p-Type CsBi4Te6 0.82 225
Zhao et al. [47] 2005 n-Type Bi2Te3 nanocomposite 1.25 420
Tang et al. [48] 2007 Bi2Te3 bulk with layered nanostructure 1.35 300
Cao et al. [49] 2008 Bi2Te3/Sb2Te3 bulk nanocomposites 1.47 440
Poudel et al. [25] 2008 p-Type nanocrystalline BiSbTe bulk alloy 1.2/1.4/0.8 300/373/523
Yan et al. [50] 2010 n-Type Bi2Te2.7Se0.3 1.04 400
Zhang et al. [51] 2011 n-Type Bi2Te3 ultrathin nanowires 0.96 380
Guo et al. [52] 2013 Tl9BiTe6 1/0.86 450/560
Hong et al. [53] 2016 BixSb2−xTe3 nanoplates 1.2 300
Pan and Li [54] 2016 n-Type Bi2(TeSe)3 alloys 1.1 473
Dharmaiah et al. [55] 2016 p-Type 25%Bi2Te3–75%Sb2Te3 alloys 1.23 350
Tab.1  Thermoelectric materials based on Bi2Te3
Reference Year Samples ZT Temperature/K
Hsu et al. [56] 2004 n-Type AgPbmSbTe2m (m = 10/18) 2.2 800
Wang et al. [57] 2006 Ag0.8Pb22SbTe20 1.37 673
Johnsen et al. [58] 2011 PbS 0.94 710
Pei et al. [59] 2011 Polycrystalline Pb0.98Na0.02Te12xSex 1.8 800
Zhang et al. [60,61] 2013 Al0.03PbTe 1.2 700
Zhao et al. [62] 2014 SnSe 2.6 923
Yamini et al. [64] 2014 n-Type (PbTe)0.75(PbS)0.15(PbSe)0.1 composites 1.1 800
Lu et al. [65] 2015 (Ge0.8Pb0.2)0.9Mn0.1Te 1.3 720
Zhao et al. [11] 2016 Hole-doped single-crystal SnSe 2.0 773
Zhao et al. [66] 2016 Counter-doped SnTe with strained endotaxial SrTe 1.2 823
Li et al. [67] 2017 p-Type SnSe doped with Zn 0.96 873
Tab.2  Thermoelectric materials based on IV–VI family
Fig.4  A typical model of non-equilibrium Green’s function
Fig.5  Previous study on the thermoelectric properties of two-dimensional materials
2D monolayer ZTmax at RT
Graphene 0.0094 [117]
Graphyne 0.157 [117]
Silicene 0.36 [118]
Germanene 0.41 [118]
MoS2 0.75 [93], 0.58 [110], 1.35 [113]
MoSe2 0.88 [93], 1.39 [113]
WS2 0.72 [93], 1.52 [113]
WSe2 0.91 [93], 1.88 [113]
Black phosphorene >0.6 [119], 1.44 [120]
Puckered arsenene 0.85 [121]
Buckled antimonene 2.15 [94]
Tab.3  Theoretical prediction of maximum room-temperature ZT for typical two-dimensional materials
1 Snyder G J, Toberer  E S. Complex thermoelectric materials. Nature Materials, 2008, 7(2): 105–114
https://doi.org/10.1038/nmat2090 pmid: 18219332
2 Zebarjadi M, Esfarjani  K, Dresselhaus M S,  Ren Z F,  Chen G. Perspectives on thermoelectrics: from fundamentals to device applications. Energy & Environmental Science, 2012, 5(1): 5147–5162
https://doi.org/10.1039/C1EE02497C
3 Tan G, Zhao  L D, Kanatzidis  M G. Rationally designing high-performance bulk thermoelectric materials. Chemical Reviews, 2016, 116(19): 12123–12149
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00255 pmid: 27580481
4 Zhao D L, Tan  G. A review of thermoelectric cooling: materials, modeling and applications. Applied Thermal Engineering, 2014, 66(1–2): 15–24
https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.01.074
5 Riffat S B, Ma  X. Thermoelectrics: a review of present and potential applications. Applied Thermal Engineering, 2003, 23(8): 913–935
https://doi.org/10.1016/S1359-4311(03)00012-7
6 Ma W, Zhang  X. Study of the thermal, electrical and thermoelectric properties of metallic nanofilms. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 58(1–2): 639–651
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.11.025
7 Zhang Y, Wang  Y, Huang C,  Lin G, Chen  J. Thermoelectric performance and optimization of three-terminal quantum dot nano-devices. Energy, 2016, 95: 593–601
https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.12.025
8 Zhang Y, Huang  C, Wang J,  Lin G, Chen  J. Optimum energy conversion strategies of a nano-scaled three-terminal quantum dot thermoelectric device. Energy, 2015, 85: 200–207
https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.03.087
9 Page A, Van der Ven  A, Poudeu P F P,  Uher C. Origins of phase separation in thermoelectric (Ti, Zr, Hf)NiSn half-Heusler alloys from first principles. Journal of Materials Chemistry. A, Materials for Energy and Sustainability, 2016, 4(36): 13949–13956
https://doi.org/10.1039/C6TA04957E
10 Sellitto A, Cimmelli  V A, Jou  D. Thermoelectric effects and size dependency of the figure-of-merit in cylindrical nanowires. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013, 57(1): 109–116
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.10.010
11 Zhao L D, Tan  G, Hao S,  He J, Pei  Y, Chi H,  Wang H, Gong  S, Xu H,  Dravid V P,  Uher C, Snyder  G J, Wolverton  C, Kanatzidis M G. Ultrahigh power factor and thermoelectric performance in hole-doped single-crystal SnSe. Science, 2016, 351(6269): 141–144
https://doi.org/10.1126/science.aad3749 pmid: 26612831
12 Mi X Y, Yu  X, Yao K L,  Huang X,  Yang N, Lü  J T. Enhancing the thermoelectric figure of merit by low-dimensional electrical transport in phonon-glass crystals. Nano Letters, 2015, 15(8): 5229–5234
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b01491 pmid: 26151091
13 Hicks L D, Dresselhaus  M S. Thermoelectric figure of merit of a one-dimensional conductor. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 1993, 47(24): 16631–16634
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.47.16631 pmid: 10006109
14 Hicks L D, Dresselhaus  M S. Effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 1993, 47(19): 12727–12731
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.47.12727 pmid: 10005469
15 Venkatasubramanian R,  Siivola E,  Colpitts T,  O’Quinn B. Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit. Nature, 2001, 413(6856): 597–602
https://doi.org/10.1038/35098012 pmid: 11595940
16 Goldsmid H J, Douglas  R W. The use of semiconductors in thermoelectric refrigeration. British Journal of Applied Physics, 1954, 5(11): 386–390
https://doi.org/10.1088/0508-3443/5/11/303
17 Wright D A. Thermoelectric properties of bismuth telluride and its alloys. Nature, 1958, 181(4612): 834
https://doi.org/10.1038/181834a0
18 Bergvall P, Beckman  O. Thermoelectric properties of non-stoichiometric bismuth-antimony-telluride alloys. Solid-State Electronics, 1963, 6(2): 133–136
https://doi.org/10.1016/0038-1101(63)90006-6
19 Champness C H,  Chiang P T,  Parekh P. Thermoelectric properties of Bi2Te3-Sb2Te3 alloys. Canadian Journal of Physics, 1965, 43(4): 653–669
https://doi.org/10.1139/p65-060
20 Yim W M, Rosi  F D. Compound tellurides and their alloys for peltier cooling—a review. Solid-State Electronics, 1972, 15(10): 1121–1140
https://doi.org/10.1016/0038-1101(72)90172-4
21 Sugihara S, Suzuki  H, Kawashima S,  Fujita M,  Kajikawa N,  Shiraishi K,  Sekine R. Thermoelectric properties and electronic structures for impurity-doped Bi2Te3. In: Proceedings of the 1998 17th International Conference on Thermoelectrics. Nagoya, Japan, 1998, 59–63
22 Chung D Y, Hogan  T, Brazis P,  Rocci-Lane M,  Kannewurf C,  Bastea M,  Uher C, Kanatzidis  M G. CsBi4Te6: a high-performance thermoelectric material for low-temperature applications. Science, 2000, 287(5455): 1024–1027
https://doi.org/10.1126/science.287.5455.1024 pmid: 10669411
23 Chung D Y, Hogan  T P, Rocci-Lane  M, Brazis P,  Ireland J R,  Kannewurf C R,  Bastea M,  Uher C, Kanatzidis  M G. A new thermoelectric material: CsBi4Te6. Journal of the American Chemical Society, 2004, 126(20): 6414–6428
https://doi.org/10.1021/ja039885f pmid: 15149239
24 Jiang J, Chen  L, Bai S,  Yao Q, Wang  Q. Thermoelectric properties of textured p-type (Bi,Sb)2Te3 fabricated by spark plasma sintering. Scripta Materialia, 2005, 52(5): 347–351
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2004.10.038
25 Poudel B, Hao  Q, Ma Y,  Lan Y, Minnich  A, Yu B,  Yan X, Wang  D, Muto A,  Vashaee D,  Chen X, Liu  J, Dresselhaus M S,  Chen G, Ren  Z. High-thermoelectric performance of nanostructured bismuth antimony telluride bulk alloys. Science, 2008, 320(5876): 634–638
https://doi.org/10.1126/science.1156446 pmid: 18356488
26 Fan S, Zhao  J, Guo J,  Yan Q, Ma  J, Hng H H. p-Type Bi0.4Sb1.6Te3 nanocomposites with enhanced figure of merit. Applied Physics Letters, 2010, 96(18): 182104
https://doi.org/10.1063/1.3427427
27 Chen S, Logothetis  N, Ye L,  Liu J. A high performance Ag alloyed nano-scale n-type Bi2Te3 based thermoelectric material. Materials Today: Proceedings, 2015, 2(2): 610–619
https://doi.org/10.1016/j.matpr.2015.05.083
28 Caillat T, Fleurial  J P, Borshchevsky  A. Preparation and thermoelectric properties of semiconducting Zn4Sb3. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 1997, 58(7): 1119–1125
https://doi.org/10.1016/S0022-3697(96)00228-4
29 Jang K W, Kim  I H, Lee  J I, Choi  G S. Thermoelectric properties of Zn4−xSb3 with = 0–0.5. Diffusion and Defect Data, Solid State Data. Part B, Solid State Phenomena, 2007, 124–126: 1019–1022
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.124-126.1019
30 Liu Y B, Zhou  S M, Yuan  X Y, Lou  S Y, Gao  T, Shi X J,  Wu X P. Synthesis and high-performance thermoelectric properties of beta-Zn4Sb3 nanowires. Materials Letters, 2012, 84: 116–119
https://doi.org/10.1016/j.matlet.2012.06.046
31 Zou T, Qin  X, Zhang Y,  Li X, Zeng  Z, Li D,  Zhang J,  Xin H, Xie  W, Weidenkaff A. Enhanced thermoelectric performance of β-Zn4Sb3 based nanocomposites through combined effects of density of states resonance and carrier energy filtering. Scientific Reports, 2015, 5(1): 17803
https://doi.org/10.1038/srep17803 pmid: 26666813
32 Loffe A F. Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling.London: Infosearch, Ltd, 1957
33 Fritts R W. Lead telluride alloys and junctions. In: Cadoff I B, Miller E, eds. Thermoelectric Materials and Devices. New York: Reinhold Publishing Corporation, 1960, 143–162
34 Mahan G D. Good thermoelectrics. Solid State Physics, 1998, 51: 81–157
https://doi.org/10.1016/S0081-1947(08)60190-3
35 Wang H, Li  J F, Nan  C W, Zhou  M, Liu W,  Zhang B P,  Kita T. High-performance Ag0.8Pb18+xSbTe20 thermoelectric bulk materials fabricated by mechanical alloying and spark plasma sintering. Applied Physics Letters, 2006, 88(9): 092104
https://doi.org/10.1063/1.2181197
36 Heremans J P, Jovovic  V, Toberer E S,  Saramat A,  Kurosaki K,  Charoenphakdee A,  Yamanaka S,  Snyder G J. Enhancement of thermoelectric efficiency in PbTe by distortion of the electronic density of states. Science, 2008, 321(5888): 554–557
https://doi.org/10.1126/science.1159725 pmid: 18653890
37 Biswas K, He  J, Blum I D,  Wu C I,  Hogan T P,  Seidman D N,  Dravid V P,  Kanatzidis M G. High-performance bulk thermoelectrics with all-scale hierarchical architectures. Nature, 2012, 489(7416): 414–418
https://doi.org/10.1038/nature11439 pmid: 22996556
38 Wu D, Zhao  L D, Tong  X, Li W,  Wu L, Tan  Q, Pei Y,  Huang L,  Li J F,  Zhu Y, Kanatzidis  M G, He  J. Superior thermoelectric performance in PbTe-PbS pseudo-binary: extremely low thermal conductivity and modulated carrier concentration. Energy & Environmental Science, 2015, 8(7): 2056–2068
https://doi.org/10.1039/C5EE01147G
39 Chen Z, Jian  Z, Li W,  Chang Y,  Ge B, Hanus  R, Yang J,  Chen Y, Huang  M, Snyder G J,  Pei Y. Lattice dislocations enhancing thermoelectric PbTe in addition to band convergence. Advanced Materials, 2017, 29(23): 1606768
https://doi.org/10.1002/adma.201606768 pmid: 28397364
40 Dismukes J P, Ekstrom  L, Steigmeier E F,  Kudman I,  Beers D S. Thermal and electrical properties of heavily doped Ge-Si alloys up to 1300°K. Journal of Applied Physics, 1964, 35(10): 2899–2907
https://doi.org/10.1063/1.1713126
41 Fleurial J P, Vandersande  J, Scoville N,  Bajgar C,  Beaty J. Progress in the optimization of n-type and p-type SiGe thermoelectric materials. AIP Conference Proceedings, 1993, 271: 759–764 
https://doi.org/10.1063/1.43147
42 Kleint C A, Heinrich  A, Muehl T,  Hecker J. Structural properties of strain symmetrized silicon/germanium (111) superlattices. In: IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS 2001). Sydney, NSW, Australia, 2001, Z8131–Z8136
43 Joshi G, Lee  H, Lan Y,  Wang X, Zhu  G, Wang D,  Gould R W,  Cuff D C,  Tang M Y,  Dresselhaus M S,  Chen G, Ren  Z. Enhanced thermoelectric figure-of-merit in nanostructured p-type silicon germanium bulk alloys. Nano Letters, 2008, 8(12): 4670–4674
https://doi.org/10.1021/nl8026795 pmid: 19367858
44 Bathula S, Jayasimhadri  M, Gahtori B,  Singh N K,  Tyagi K,  Srivastava A K,  Dhar A. The role of nanoscale defect features in enhancing the thermoelectric performance of p-type nanostructured SiGe alloys. Nanoscale, 2015, 7(29): 12474–12483
https://doi.org/10.1039/C5NR01786F pmid: 26138852
45 Polvani D A, Meng  J F, Chandra Shekar  N V, Sharp  J, Badding J V. Large improvement in thermoelectric properties in pressure-tuned p-type Sb1.5Bi0.5Te3. Chemistry of Materials, 2001, 13(6): 2068–2071
https://doi.org/10.1021/cm000888q
46 Sidorenko N A,  Ivanova L D. Bi-Sb solid solutions: potential materials for high-efficiency thermoelectric cooling to below 180 K. Inorganic Materials, 2001, 37(4): 331–335
https://doi.org/10.1023/A:1017563308160
47 Zhao X B, Ji  X H, Zhang  Y H, Zhu  T J, Tu  J P, Zhang  X B. Bismuth telluride nanotubes and the effects on the thermoelectric properties of nanotube-containing nanocomposites. Applied Physics Letters, 2005, 86(6): 062111
https://doi.org/10.1063/1.1863440
48 Tang X, Xie  W, Li H,  Zhao W, Zhang  Q, Niino M. Preparation and thermoelectric transport properties of high-performance p-type Bi2Te3 with layered nanostructure. Applied Physics Letters, 2007, 90(1): 012102
https://doi.org/10.1063/1.2425007
49 Cao Y Q, Zhao  X B, Zhu  T J, Zhang  X B, Tu  J P. Syntheses and thermoelectric properties of Bi2Te3/Sb2Te3 bulk nanocomposites with laminated nanostructure. Applied Physics Letters, 2008, 92(14): 143106
https://doi.org/10.1063/1.2900960
50 Yan X, Poudel  B, Ma Y,  Liu W S,  Joshi G,  Wang H, Lan  Y, Wang D,  Chen G, Ren  Z F. Experimental studies on anisotropic thermoelectric properties and structures of n-type Bi2Te2.7Se0.3. Nano Letters, 2010, 10(9): 3373–3378
https://doi.org/10.1021/nl101156v pmid: 20672824
51 Zhang G, Kirk  B, Jauregui L A,  Yang H, Xu  X, Chen Y P,  Wu Y. Rational synthesis of ultrathin n-type Bi2Te3 nanowires with enhanced thermoelectric properties. Nano Letters, 2012, 12(1): 56–60
https://doi.org/10.1021/nl202935k pmid: 22111899
52 Guo Q, Chan  M, Kuropatwa B A,  Kleinke H. Enhanced thermoelectric properties of variants of Tl9SbTe6 and Tl9BiTe6. Chemistry of Materials, 2013, 25(20): 4097–4104
https://doi.org/10.1021/cm402593f
53 Hong M, Chen  Z G, Yang  L, Zou J. BixSb2−xTe3 nanoplates with enhanced thermoelectric performance due to sufficiently decoupled electronic transport properties and strong wide-frequency phonon scatterings. Nano Energy, 2016, 20: 144–155
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2015.12.009
54 Pan Y, Li  J F. Thermoelectric performance enhancement in n-type Bi2(TeSe)3 alloys owing to nanoscale inhomogeneity combined with a spark plasma-textured microstructure. NPG Asia Materials, 2016, 8(6): e275
https://doi.org/10.1038/am.2016.67
55 Dharmaiah P, Kim  H S, Lee  C H, Hong  S J. Influence of powder size on thermoelectric properties of p-type 25%Bi2Te3–75%Sb2Te3 alloys fabricated using gas-atomization and spark-plasma sintering. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 686: 1–8
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.05.340
56 Hsu K F, Loo  S, Guo F,  Chen W, Dyck  J S, Uher  C, Hogan T,  Polychroniadis E K,  Kanatzidis M G. Cubic AgPbmSbTe2+m: bulk thermoelectric materials with high figure of merit. Science, 2004, 303(5659): 818–821
https://doi.org/10.1126/science.1092963 pmid: 14764873
57 Wang H, Li  J F, Nan  C W, Zhou  M, Liu W,  Zhang B P,  Kita T. High-performance Ag0.8Pb18+xSbTe20 thermoelectric bulk materials fabricated by mechanical alloying and spark plasma sintering. Applied Physics Letters, 2006, 88(9): 092104
https://doi.org/10.1063/1.2181197
58 Johnsen S, He  J, Androulakis J,  Dravid V P,  Todorov I,  Chung D Y,  Kanatzidis M G. Nanostructures boost the thermoelectric performance of PbS. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(10): 3460–3470
https://doi.org/10.1021/ja109138p pmid: 21332121
59 Pei Y, Shi  X, LaLonde A,  Wang H, Chen  L, Snyder G J. Convergence of electronic bands for high performance bulk thermoelectrics. Nature, 2011, 473(7345): 66–69
https://doi.org/10.1038/nature09996 pmid: 21544143
60 Zhang Q, Yang  S, Zhang Q,  Chen S, Liu  W, Wang H,  Tian Z, Broido  D, Chen G,  Ren Z. Effect of aluminum on the thermoelectric properties of nanostructured PbTe. Nanotechnology, 2013, 24(34): 345705
https://doi.org/10.1088/0957-4484/24/34/345705 pmid: 23912680
61 Zhang Y, Wang  H, Kräemer S,  Shi Y, Zhang  F, Snedaker M,  Ding K, Moskovits  M, Snyder G J,  Stucky G D. Surfactant-free synthesis of Bi2Te3-Te micro-nano heterostructure with enhanced thermoelectric figure of merit. ACS Nano, 2011, 5(4): 3158–3165
https://doi.org/10.1021/nn2002294 pmid: 21417452
62 Zhao L D, Lo  S H, Zhang  Y, Sun H,  Tan G, Uher  C, Wolverton C,  Dravid V P,  Kanatzidis M G. Ultralow thermal conductivity and high thermoelectric figure of merit in SnSe crystals. Nature, 2014, 508(7496): 373–377
https://doi.org/10.1038/nature13184 pmid: 24740068
63 Sevinçli H, Sevik  C, Çağın  T, Cuniberti G. A bottom-up route to enhance thermoelectric figures of merit in graphene nanoribbons. Scientific Reports, 2013, 3(1): 1228
https://doi.org/10.1038/srep01228 pmid: 23390578
64 Yamini S A, Wang  H, Ginting D,  Mitchell D R,  Dou S X,  Snyder G J. Thermoelectric performance of n-type (PbTe)0.75(PbS)0.15(PbSe)0.1 composites. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(14): 11476–11483
https://doi.org/10.1021/am502140h pmid: 24960418
65 Lu Z W, Li  J Q, Wang  C Y, Li  Y, Liu F S,  Ao W Q. Effects of Mn substitution on the phases and thermoelectric properties of Ge0.8Pb0.2Te alloy. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 621: 345–350
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.09.198
66 Zhao L D, Zhang  X, Wu H,  Tan G, Pei  Y, Xiao Y,  Chang C,  Wu D, Chi  H, Zheng L,  Gong S, Uher  C, He J,  Kanatzidis M G. Enhanced thermoelectric properties in the counter-doped SnTe system with strained endotaxial SrTe. Journal of the American Chemical Society, 2016, 138(7): 2366–2373
https://doi.org/10.1021/jacs.5b13276 pmid: 26871965
67 Li J C, Li  D, Qin X Y,  Zhang J. Enhanced thermoelectric performance of p-type SnSe doped with Zn. Scripta Materialia, 2017, 126: 6–10
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.08.009
68 Boukai A I, Bunimovich  Y, Tahir-Kheli J,  Yu J K,  Goddard W A III, Heath J R. Silicon nanowires as efficient thermoelectric materials. Nature, 2008, 451(7175): 168–171
https://doi.org/10.1038/nature06458 pmid: 18185583
69 Hochbaum A I, Chen  R, Delgado R D,  Liang W,  Garnett E C,  Najarian M,  Majumdar A,  Yang P. Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires. Nature, 2008, 451(7175): 163–167
https://doi.org/10.1038/nature06381 pmid: 18185582
70 Miao L, Tanemura  S, Huang R,  Liu C Y,  Huang C M,  Xu G. Large Seebeck coefficients of protonated titanate nanotubes for high-temperature thermoelectric conversion. ACS Applied Materials & Interfaces, 2010, 2(8): 2355–2359
https://doi.org/10.1021/am100365y pmid: 20735107
71 Li Z, Chen  Y, Li J F,  Chen H, Wang  L, Zheng S,  Lu G. Systhesizing SnTe nanocrystals leading to thermoelectric performance enhancement via an ultra-fast microwave hydrothermal method. Nano Energy, 2016, 28: 78–86
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.08.008
72 Yang L, Yang  N, Li B. Thermoelectric properties of nanoscale three dimensional Si phononic crystals. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 99: 102–106
https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.03.096
73 He D, Zhao  W, Mu X,  Zhou H, Wei  P, Zhu W,  Nie X, Su  X, Liu H,  He J, Zhang  Q. Enhanced thermoelectric performance of heavy-fermion YbAl3 via multi-scale microstructures. Journal of Alloys and Compounds, 2017, 725: 1297–1303
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.07.273
74 Zhao W, Liu  Z, Sun Z,  Zhang Q,  Wei P, Mu  X, Zhou H,  Li C, Ma  S, He D,  Ji P, Zhu  W, Nie X,  Su X, Tang  X, Shen B,  Dong X, Yang  J, Liu Y,  Shi J. Superparamagnetic enhancement of thermoelectric performance. Nature, 2017, 549(7671): 247–251
https://doi.org/10.1038/nature23667 pmid: 28905895
75 Pei Y, Lensch-Falk  J, Toberer E S,  Medlin D L,  Snyder G J. High thermoelectric performance in PbTe due to large nanoscale Ag2Te precipitates and La doping. Advanced Functional Materials, 2011, 21(2): 241–249
https://doi.org/10.1002/adfm.201000878
76 Gahtori B, Bathula  S, Tyagi K,  Jayasimhadri M,  Srivastava A K,  Singh S,  Budhani R C,  Dhar A. Giant enhancement in thermoelectric performance of copper selenide by incorporation of different nanoscale dimensional defect features. Nano Energy, 2015, 13: 36–46
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2015.02.008
77 Ahmad S, Singh  A, Bohra A,  Basu R, Bhattacharya  S, Bhatt R,  Meshram K N,  Roy M, Sarkar  S K, Hayakawa  Y, Debnath A K,  Aswal D K,  Gupta S K. Boosting thermoelectric performance of p-type SiGe alloys through in-situ metallic YSi2 nanoinclusions. Nano Energy, 2016, 27: 282–297
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.07.002
78 Kim G H, Hwang  D H, Woo  S I. Thermoelectric properties of nanocomposite thin films prepared with poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) and graphene. Physical Chemistry Chemical Physics, 2012, 14(10): 3530–3536
https://doi.org/10.1039/c2cp23517j pmid: 22307403
79 Tan X J, Liu  H J, Wen  Y W, Lv  H Y, Pan  L, Shi J,  Tang X F. Thermoelectric properties of ultrasmall single-wall carbon nanotubes. Journal of Physical Chemistry C, 2011, 115(44): 21996–22001
https://doi.org/10.1021/jp205333m
80 Ouyang T, Xiao  H P, Xie  Y E, Wei  X L, Chen  Y P, Zhong  J X. Thermoelectric properties of gamma-graphyne nanoribbons and nanojunctions. Journal of Applied Physics, 2013, 114(7): 073710
https://doi.org/10.1063/1.4818616
81 Wang C, Ouyang  T, Chen Y,  Zhou B, Zhong  J. Thermoelectric properties of gamma-graphyne nanoribbon incorporating diamond-like quantum dots. Journal of Physics. D, Applied Physics, 2016, 49(13): 135303
https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/13/135303
82 Yang D, Lu  C, Yin H,  Herman I P. Thermoelectric performance of PbSe quantum dot films. Nanoscale, 2013, 5(16): 7290–7296
https://doi.org/10.1039/c3nr01875j pmid: 23817342
83 Guo R Q, Wang  X J, Kuang  Y D, Huang  B L. First-principles study of anisotropic thermoelectric transport properties of IV–VI semiconductor compounds SnSe and SnS. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2015, 92(11): 115202
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.115202
84 Chen Z G, Han  G, Yang L,  Cheng L,  Zou J. Nanostructured thermoelectric materials: current research and future challenge. Progress in Natural Science: Materials International, 2012, 22(6): 535–549
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2012.11.011
85 Ginting D, Lin  C C, Rathnam  L, Yun J H,  Yu B K,  Kim S J,  Rhyee J S. High thermoelectric performance due to nano-inclusions and randomly distributed interface potentials in n-type (PbTe0.93−xSe0.07Clx)0.93(PbS)0.07 composites. Journal of Materials Chemistry. A, Materials for Energy and Sustainability, 2017, 5(26): 13535–13543
https://doi.org/10.1039/C7TA02643A
86 Zhang D, Yang  J, Jiang Q,  Zhou Z, Li  X, Xin J,  Basit A,  Ren Y, He  X. Multi-cations compound Cu2CoSnS4: DFT calculating, band engineering and thermoelectric performance regulation. Nano Energy, 2017, 36: 156–165
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.04.027
87 Volz S G, Chen  G. Molecular-dynamics simulation of thermal conductivity of silicon crystals. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2000, 61(4): 2651–2656
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.2651
88 Volz S G, Chen  G. Molecular dynamics simulation of thermal conductivity of silicon nanowires. Applied Physics Letters, 1999, 75(14): 2056–2058
https://doi.org/10.1063/1.124914
89 Xie H, Ouyang  T, Germaneau É,  Qin G, Hu  M, Bao H. Large tunability of lattice thermal conductivity of monolayer silicene via mechanical strain. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2016, 93(7): 075404
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.075404
90 Turney J E, Landry  E S, McGaughey  A J H, Amon  C H. Predicting phonon properties and thermal conductivity from anharmonic lattice dynamics calculations and molecular dynamics simulations. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2009, 79(6): 064301
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.064301
91 Li W, Carrete  J, Katcho N A,  Mingo N. ShengBTE: a solver of the Boltzmann transport equation for phonons. Computer Physics Communications, 2014, 185(6): 1747–1758
https://doi.org/10.1016/j.cpc.2014.02.015
92 Jiang J W, Wang  J S, Li  B W. A nonequilibrium Green’s function study of thermoelectric properties in single-walled carbon nanotubes. Journal of Applied Physics, 2011, 109(1): 014326
https://doi.org/10.1063/1.3531573
93 Chen K X, Wang  X M, Mo  D C, Lyu  S S. Thermoelectric properties of transition metal dichalcogenides: from monolayers to nanotubes. Journal of Physical Chemistry C, 2015, 119(47): 26706–26711
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b06728
94 Chen K X, Lyu  S H, Wang  X M, Fu  Y X, Heng  Y, Mo D C. Excellent thermoelectric performance predicted in two-dimensional buckled antimonene: a first-principles study. Journal of Physical Chemistry C, 2017, 121(24): 13035–13042
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b03129
95 Fan D D, Liu  H J, Cheng  L, Jiang P H,  Shi J, Tang  X F. MoS2 nanoribbons as promising thermoelectric materials. Applied Physics Letters, 2014, 105(13): 133113
https://doi.org/10.1063/1.4897349
96 Zhang J, Liu  H J, Cheng  L, Wei J,  Liang J H,  Fan D D,  Shi J, Tang  X F, Zhang  Q J. Phosphorene nanoribbon as a promising candidate for thermoelectric applications. Scientific Reports, 2014, 4(1): 6452
https://doi.org/10.1038/srep06452 pmid: 25245326
97 Wang X M, Lu  S S. Thermoelectric transport in graphyne nanotubes. Journal of Physical Chemistry C, 2013, 117(38): 19740–19745
https://doi.org/10.1021/jp406536e
98 Chen K X, Luo  Z Y, Mo  D C, Lyu  S S. WSe2 nanoribbons: new high-performance thermoelectric materials. Physical Chemistry Chemical Physics, 2016, 18(24): 16337–16344
https://doi.org/10.1039/C6CP02456D pmid: 27254307
99 He W, Zhang  G, Zhang X,  Ji J, Li  G, Zhao X. Recent development and application of thermoelectric generator and cooler. Applied Energy, 2015, 143: 1–25
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.12.075
100 Gou X, Xiao  H, Yang S. Modeling, experimental study and optimization on low-temperature waste heat thermoelectric generator system. Applied Energy, 2010, 87(10): 3131–3136
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.02.013
101 Wang L. Thermopower and thermoconductance properties of zigzag edged graphene nanoribbon based thermoelectric module. Physics Letters, 2013, 377(21–22): 1486–1490
https://doi.org/10.1016/j.physleta.2013.04.014
102 Sevinçli H, Cuniberti  G. Enhanced thermoelectric figure of merit in edge-disordered zigzag graphene nanoribbons. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2010, 81(11): 113401
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.113401
103 Chang P H, Nikolić  B K. Edge currents and nanopore arrays in zigzag and chiral graphene nanoribbons as a route toward high-ZT thermoelectrics. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2012, 86(4): 041406
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.041406
104 Yeo P S E,  Sullivan M B,  Loh K P,  Gan C K. First-principles study of the thermoelectric properties of strained graphene nanoribbons. Journal of Materials Chemistry. A, Materials for Energy and Sustainability, 2013, 1(36): 10762–10767
https://doi.org/10.1039/c3ta12211e
105 Yu C, Choi  K, Yin L,  Grunlan J C. Light-weight flexible carbon nanotube based organic composites with large thermoelectric power factors. ACS Nano, 2011, 5(10): 7885–7892
https://doi.org/10.1021/nn202868a pmid: 21899362
106 Avery A D, Zhou  B H, Lee  J, Lee E S,  Miller E M,  Ihly R, Wesenberg  D, Mistry K S,  Guillot S L,  Zink B L,  Kim Y H,  Blackburn J L,  Ferguson A J. Tailored semiconducting carbon nanotube networks with enhanced thermoelectric properties. Nature Energy, 2016, 1(4): 16033
https://doi.org/10.1038/nenergy.2016.33
107 Hsin C L, Wingert  M, Huang C W,  Guo H, Shih  T J, Suh  J, Wang K,  Wu J, Wu  W W, Chen  R. Phase transformation and thermoelectric properties of bismuth-telluride nanowires. Nanoscale, 2013, 5(11): 4669–4672
https://doi.org/10.1039/c3nr00876b pmid: 23619552
108 Jiang J W, Wang  J S. Joule heating and thermoelectric properties in short single-walled carbon nanotubes: electron-phonon interaction effect. Journal of Applied Physics, 2011, 110(12): 124319
https://doi.org/10.1063/1.3671069
109 Si H G, Wang  Y X, Yan  Y L, Zhang  G B. Structural, electronic, and thermoelectric properties of InSe nanotubes: first-principles calculations. Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116(6): 3956–3961 
https://doi.org/10.1021/jp210583f
110 Huang W, Da  H, Liang G. Thermoelectric performance of MX2 (M = Mo, W; X = S, Se) monolayers. Journal of Applied Physics, 2013, 113(10): 104304
https://doi.org/10.1063/1.4794363
111 Huang W, Luo  X, Gan C K,  Quek S Y,  Liang G. Theoretical study of thermoelectric properties of few-layer MoS2 and WSe2. Physical Chemistry Chemical Physics, 2014, 16(22): 10866–10874
https://doi.org/10.1039/c4cp00487f pmid: 24760342
112 Tahir M, Schwingenschlögl  U. Tunable thermoelectricity in monolayers of MoS2 and other group-VI dichalcogenides. New Journal of Physics, 2014, 16(11): 115003
https://doi.org/10.1088/1367-2630/16/11/115003
113 Wickramaratne D, Zahid  F, Lake R K. Electronic and thermoelectric properties of few-layer transition metal dichalcogenides. Journal of Chemical Physics, 2014, 140(12): 124710
https://doi.org/10.1063/1.4869142 pmid: 24697473
114 Lee C, Hong  J, Whangbo M H,  Shim J H. Enhancing the thermoelectric properties of layered transition-metal dichalcogenides 2H–MQ2 (M= Mo, W; Q= S, Se, Te) by layer mixing: density functional investigation. Chemistry of Materials, 2013, 25(18): 3745–3752
https://doi.org/10.1021/cm402281n
115 Bhattacharyya S, Pandey  T, Singh A K. Effect of strain on electronic and thermoelectric properties of few layers to bulk MoS2. Nanotechnology, 2014, 25(46): 465701
https://doi.org/10.1088/0957-4484/25/46/465701 pmid: 25354843
116 Guo S D. Biaxial strain tuned thermoelectric properties in monolayer PtSe2. Journal of Materials Chemistry. C, Materials for Optical and Electronic Devices, 2016, 4(39): 9366–9374
https://doi.org/10.1039/C6TC03074B
117 Wang X M, Mo  D C, Lu  S S. On the thermoelectric transport properties of graphyne by the first-principles method. Journal of Chemical Physics, 2013, 138(20): 204704
https://doi.org/10.1063/1.4806069 pmid: 23742497
118 Yang K, Cahangirov  S, Cantarero A,  Rubio A,  D’Agosta R. Thermoelectric properties of atomically thin silicene and germanene nanostructures. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2014, 89(12): 125403
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.125403
119 Fei R, Faghaninia  A, Soklaski R,  Yan J A,  Lo C, Yang  L. Enhanced thermoelectric efficiency via orthogonal electrical and thermal conductances in phosphorene. Nano Letters, 2014, 14(11): 6393–6399
https://doi.org/10.1021/nl502865s pmid: 25254626
120 Lv H Y, Lu  W J, Shao  D F, Sun  Y P. Enhanced thermoelectric performance of phosphorene by strain-induced band convergence. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2014, 90(8): 085433
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.085433
121 Medrano Sandonas L,  Teich D,  Gutierrez R,  Lorenz T,  Pecchia A,  Seifert G,  Cuniberti G. Anisotropic thermoelectric response in two-dimensional puckered structures. Journal of Physical Chemistry C, 2016, 120(33): 18841–18849
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b04969
122 Carrete J, Mingo  N, Tian G,  Ågren H,  Baev A, Prasad  P N. Thermoelectric properties of hybrid organic-inorganic superlattices. Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116(20): 10881–10886
https://doi.org/10.1021/jp3025039
123 Savelli G, Silveira Stein  S, Bernard-Granger G,  Faucherand P,  Montès L,  Dilhaire S,  Pernot G. Titanium-based silicide quantum dot superlattices for thermoelectrics applications. Nanotechnology, 2015, 26(27): 275605
https://doi.org/10.1088/0957-4484/26/27/275605 pmid: 26086207
124 Duan J, Wang  X, Lai X,  Li G, Watanabe  K, Taniguchi T,  Zebarjadi M,  Andrei E Y. High thermoelectric power factor in graphene/hBN devices. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2016, 113(50): 14272–14276
https://doi.org/10.1073/pnas.1615913113 pmid: 27911824
125 Luo Y, Jiang  Q, Yang J,  Li W, Zhang  D, Zhou Z,  Cheng Y,  Ren Y, He  X, Li X. Simultaneous regulation of electrical and thermal transport properties in CuInTe2 by directly incorporating excess ZnX (X=S, Se). Nano Energy, 2017, 32: 80–87
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2016.12.023
126 Yin K, Su  X, Yan Y,  Tang H, Kanatzidis  M G, Uher  C, Tang X. Morphology modulation of SiC nano-additives for mechanical robust high thermoelectric performance Mg2Si1−xSnx/SiC nano-composites. Scripta Materialia, 2017, 126: 1–5
https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.08.010
[1] Pengfei JI, Yiming RONG, Yuwen ZHANG, Yong TANG. Impacts of cone-structured interface and aperiodicity on nanoscale thermal transport in Si/Ge superlattices[J]. Front. Energy, 2018, 12(1): 137-142.
[2] Laifeng LI, Zhen CHEN, Min ZHOU, Rongjin HUANG. Developments in semiconductor thermoelectric materials[J]. Front Energ, 2011, 5(2): 125-136.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed