Crystalline Structure-Dependent Mechanical and Thermoelectric Performance in Ag2Se1‐xSx System

Abstract

Self-powered wearable electronics require thermoelectric materials simultaneously with a high dimensionless figure of merit ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi>z</mml:mi> <mml:mi>T</mml:mi> </mml:math> ) and good flexibility to convert the heat discharged by the human body into electricity. Ag 2 (S,Se)-based semiconducting materials can well satisfy these requirements, and thus, they are attracting great attention in thermoelectric society recently. Ag 2 (S,Se) crystalizes in an orthorhombic structure or monoclinic structure, depending on the detailed S/Se atomic ratio, but the relationship between its crystalline structure and mechanical/thermoelectric performance is still unclear to date. In this study, a series of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mtext>A</mml:mtext> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>g</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mtext>S</mml:mtext> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>e</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>‐</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>S</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:math> , 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, and 0.45) samples were prepared and their mechanical and thermoelectric performance dependence on the crystalline structure was systematically investigated. <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>0.3</mml:mn> </mml:math> in the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mtext>A</mml:mtext> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>g</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mtext>S</mml:mtext> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>e</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>‐</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>S</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> system was found to be the transition boundary between orthorhombic and monoclinic structures. Mechanical property measurement shows that the orthorhombic <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mtext>A</mml:mtext> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>g</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mtext>S</mml:mtext> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>e</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>‐</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>S</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> samples are brittle while the monoclinic Ag 2 Se 1‐ x S x samples are ductile and flexible. In addition, the orthorhombic <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mtext>A</mml:mtext> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>g</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mtext>S</mml:mtext> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>e</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>‐</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mtext>S</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>x</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> samples show better electrical transport performance and higher <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mi>z</mml:mi> <mml:mi>T</mml:mi> </mml:math> than the monoclinic samples under a comparable carrier concentration, most likely due to their weaker electron-phonon interactions. This study sheds light on the further development of flexible inorganic TE materials.