Effect of Deviation from Stoichiometry on Thermoelectric Properties of Bi₂Te₃ Polycrystals and Thin Films in the Temperature Range 77-300 K

Abstract

Bi₂Te₃ semiconductor compound and Bi₂Te₃-based solid solutions are presently among the best lowtemperature thermoelectric materials. One of the methods of controlling the conductivity type and properties of Bi₂Te₃ is changing the stoichiometry of this compound. Earlier, we have obtained the room-temperature dependences of mechanical and thermoelectric properties of Bi₂Te₃ polycrystals on the degree of deviation from stoichiometry. The goal of this work is to investigate the behavior of such dependences at other temperatures. Bismuth telluride polycrystals with compositions in the range of 59.6-67.5 at. % Te were obtained, and for all the crystals the Seebeck coefficient, the Hall coefficient, electrical conductivity and charge carrier mobility were measured in the temperature range 77-300 K. On the basis of the temperature dependences, the isotherms of kinetic coefficients were plotted. It was found that similar to the room-temperature isotherms, the isotherms at lower temperatures were non-monotonic: they exhibited inversion of the conductivity sign between 60.5 and 61.0 at. % Te and extrema near 60.0 and 63.0 at. % Te. The experimental data are interpreted taking into account changes in the band and defect structures of Bi₂Te₃ under varying stoichiometry. The obtained results make it possible to control thermoelectric properties of Bi₂Te₃ polycrystals in the temperature range 77-300 K by changing the degree of deviation from stoichiometry.

Напівпровідникова сполука Bi₂Te₃ та тверді розчини на її основі на цей час відносяться до числа найкращих низькотемпературних термоелектричних матеріалів. Одним із методів керування типом провідності та властивостями Bi₂Te₃ є зміна стехіометрії. Раніше ми одержали залежності механічних та термоелектричних властивостей полікристалів Bi₂Te₃ від ступеня відхилу від стехіометрії при кімнатній температурі. Мета цієї роботи – дослідження характеру цих залежностей при інших температурах. Було одержано полікристали телуриду вісмуту із складами в інтервалі 59,6-67,5 ат. % Те, і для всіх кристалів було проведено вимірювання коефіцієнта Зеєбека, коефіцієнта Холла, електропровідності та рухливості носіїв заряду у температурному інтервалі 77-300 K. На основі температурних залежностей було побудовано ізотерми кінетичних коефіцієнтів. Було встановлено, що подібно ізотермам при кімнатній температурі ізотерми при більш низьких температурах мають немонотонний характер: між 60,5 і 61,0 має місце інверсія типу провідності, а поблизу 60.0 і 63 ат. % Те спостерігаються екстремуми. Дана інтерпретація експериментальних даних з урахуванням змін у зонній та дефектній структурі Bi₂Te₃ при зміні стехіометрії. Одержані результати дають можливість керувати термоелектричними властивостями полікристалів Bi₂Te₃ у температурному інтервалі 77-300 K, змінюючи ступінь відхилення від стехіометрії.