Phonon scattering by nanostructures and point defects has become the primary strategy for minimizing the lattice thermal conductivity (κL ) in thermoelectric materials. However, these scatterers are only effective at the extremes of the phonon spectrum. Recently, it has been demonstrated that dislocations are effective at scattering the remaining mid-frequency phonons as well. In this work, by varying the concentration of Na in Pb0.97 Eu0.03 Te, it has been determined that the dominant microstructural features are point defects, lattice dislocations, and nanostructure interfaces. This study reveals that dense lattice dislocations (≈4 × 1012 cm-2 ) are particularly effective at reducing κL . When the dislocation concentration is maximized, one of the lowest κL values reported for PbTe is achieved. Furthermore, due to the band convergence of the alloyed 3% mol. EuTe the electronic performance is enhanced, and a high thermoelectric figure of merit, zT, of ≈2.2 is achieved. This work not only demonstrates the effectiveness of dense lattice dislocations as a means of lowering κL , but also the importance of engineering both thermal and electronic transport simultaneously when designing high-performance thermoelectrics.

To minimize the lattice thermal conductivity in thermoelectrics, strategies typically focus on the scattering of low-frequency phonons by interfaces and high-frequency phonons by point defects. In addition, scattering of mid-frequency phonons by dense dislocations, localized at the grain boundaries, has been shown to reduce the lattice thermal conductivity and improve the thermoelectric performance. Here we propose a vacancy engineering strategy to create dense dislocations in the grains. In Pb1-xSb2x/3Se solid solutions, cation vacancies are intentionally introduced, where after thermal annealing the vacancies can annihilate through a number of mechanisms creating the desired dislocations homogeneously distributed within the grains. This leads to a lattice thermal conductivity as low as 0.4 Wm-1 K-1 and a high thermoelectric figure of merit, which can be explained by a dislocation scattering model. The vacancy engineering strategy used here should be equally applicable for solid solution thermoelectrics and provides a strategy for improving zT.

By utilizing the interaction between Cu and CNTs, a record-high zT of 2.4 has been achieved in Cu₂Se/CNT hybrid materials.

Wrapping grain boundaries with rGO enhances zT by increasing thermal boundary resistance, R_κ, with minimal effect on the electronic transport.

Diffuson-mediated thermal transport suggests a lower minimum thermal conductivity than phonon models.

The influence of micro/nanostructure on thermal conductivity is a topic of great scientific interest, particularly to thermoelectrics. The current understanding is that structural defects decrease thermal conductivity through phonon scattering where the phonon dispersion and speed of sound are assumed to remain constant. Experimental work on a PbTe model system is presented, which shows that the speed of sound linearly decreases with increased internal strain. This softening of the materials lattice completely accounts for the reduction in lattice thermal conductivity, without the introduction of additional phonon scattering mechanisms. Additionally, it is shown that a major contribution to the improvement in the thermoelectric figure of merit (zT > 2) of high-efficiency Na-doped PbTe can be attributed to lattice softening. While inhomogeneous internal strain fields are known to introduce phonon scattering centers, this study demonstrates that internal strain can modify phonon propagation speed as well. This presents new avenues to control lattice thermal conductivity, beyond phonon scattering. In practice, many engineering materials will exhibit both softening and scattering effects, as is shown in silicon. This work shines new light on studies of thermal conductivity in fields of energy materials, microelectronics, and nanoscale heat transfer.

Thermoelectric materials require an optimal carrier concentration to maximize electrical transport and thus thermoelectric performance. Element doping and composition off-stoichiometry are the two general and effective approaches for optimizing carrier concentrations, which have been successfully applied in almost all semiconductors. In this study, we propose a new strategy called bonding energy variation to tune the carrier concentrations in Cu2Se-based liquid-like thermoelectric compounds. By utilizing the different bond features in Cu2Se and Cu2S, alloying S at the Se sites successfully increases the bonding energy to fix Cu atoms in the crystal lattice to suppress the formation of Cu vacancies, leading to greatly reduced carrier concentrations toward the optimal value. Via a combination of the lowered electrical and lattice thermal conductivities and the relatively good carrier mobility caused by the weak alloy scattering potential, ultrahigh zT values are achieved in slightly S-doped Cu2Se with a maximal value of 2.0 at 1000 K, 30% higher than that in nominally stoichiometric Cu2Se.

This paper presents an innovative approach to integrate a high-quality porous silicon (PSi) waveguide on ultra-low-resistivity (ULR) substrates for terahertz (THz) applications. Eliminating the need for deep etching and multiple wafer bonding, the proposed technique leverages the low resistivity of ULR substrate and the high resistivity of PSi to create an efficient waveguide. Simulations and preliminary experiments validate the concept.