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Poorer is better: towards robust, high performance Mg2(Si,Sn) thermoelectric material by avoiding excess Mg

Duparchy, Amandine und Naithani, Harshita und Ghosh, Sanyukta und Parzer, Michael und Garmroudi, Fabian und Müller, Eckhard und de Boor, Johannes (2025) Poorer is better: towards robust, high performance Mg2(Si,Sn) thermoelectric material by avoiding excess Mg. Energy Materials, 5 (10), Seite 500134. OAE Publishing Inc.. doi: 10.20517/energymater.2025.51. ISSN 2770-5900.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
9MB

Offizielle URL: https://www.oaepublish.com/articles/energymater.2025.51

Kurzfassung

Mg2 (Si,Sn)-based semiconductors constitute promising thermoelectrics (TE), in particular as n-type materials. These are usually synthesized under Mg-excess to compensate for losses of Mg during synthesis and achieve the high carrier concentration required for optimal performance. However, this usage of excess Mg leads to loosely bound Mg in the material which is easily lost during operation, leading to a fast and massive degradation of the TE performance. In this work, we introduce Mg-poor n-type Mg2 (Si,Sn), avoiding excess and loosely bound Mg. We find that (i) employing relatively large nominal Mg deficiency leads nevertheless to single-phase, Mg-poor Mg2 (Si,Sn) by a self-adjustment of the composition during sintering, and (ii) that despite showing a lower dopant efficiency, Sb can be employed to achieve the required optimum carrier concentration, resulting in a figure of merit of zT = 1.2 ± 0.2 at 700 K, comparable to Mg-rich samples. This is confirmed by a comparison of Mg-rich and Mg-poor samples in a single parabolic band model which reveals similar microscopic material parameters such as weighted mobility and scattering constants. Finally, we compare Mg-poor synthesized samples with initially Mg-rich ones that experienced Mg loss. Despite similar global compositions we identify grain boundary scattering to be more pronounced in Mg-depleted samples, marking one of the fundamental reasons for the performance degradation of synthesized Mg-rich synthesized samples. Overall, this work highlights the importance of grain boundaries for the performance of TE materials and the successful application of thermodynamic degrees of freedom to address fundamental challenges in TE material systems while retaining promising TE performance.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/220513/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Poorer is better: towards robust, high performance Mg2(Si,Sn) thermoelectric material by avoiding excess Mg
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Duparchy, Amandineamandine.duparchy (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Naithani, HarshitaHarshita.nathani (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ghosh, Sanyuktasanyukta.ghosh (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Parzer, MichaelNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Garmroudi, FabianNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Müller, EckhardGerman aerospace center, Institute of materials research, Köln, Germany and Institute for inorganic and analytical chemistry, Justus-Liebig-Universität Gießen, Heinrich-Buff-Ring 58, 35392 Gießen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
de Boor, JohannesInstitute of Materials Research, German Aerospace Center, 51147 Köln, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:10 Juli 2025
Erschienen in:Energy Materials
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Nein
In ISI Web of Science:Ja
Band:5
DOI:10.20517/energymater.2025.51
Seitenbereich:Seite 500134
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Yizhong, HuangNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ping, ZhangNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:OAE Publishing Inc.
Name der Reihe:Thermoelectric Materials: Current Status and Future Challenges
ISSN:2770-5900
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Mg2Si1-xSnx , thermoelectric transport properties, single parabolic band model, Mg-related defects, material stoichiometry
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Verkehr
HGF - Programmthema:Straßenverkehr
DLR - Schwerpunkt:Verkehr
DLR - Forschungsgebiet:V ST Straßenverkehr
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):V - FFAE - Fahrzeugkonzepte, Fahrzeugstruktur, Antriebsstrang und Energiemanagement
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Werkstoff-Forschung
Hinterlegt von: Duparchy, Amandine
Hinterlegt am:10 Dez 2025 11:50
Letzte Änderung:10 Dez 2025 11:50

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