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Materials 2014
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Z should be defined for a pair of thermoelements, since the Peltier and Seebeck effects are manifest for 
thermocouples rather than single materials, but it is convenient to select materials on the basis of the 
maximization of Z for each branch. It is only when the two branches have widely different properties 
that this strategy must be modified as, for example, when one branch is a superconductor [3,4]. 
From  the  outset  it  was  realized  that  there  was  the  need  to  optimize  [1,2]  the  charge  carrier 
concentration,  by  doping  with  donor  or  acceptor  impurities.  When  there  is  only  one  type  of  carrier, 
electrons  or  positive  holes,  the  Seebeck  coefficient  at  a  given  temperature  falls  as  the  electrical 
conductivity  increases.  The  Seebeck  coefficient  and  the  electrical  conductivity  are  combined  in  a 
quantity, α
2
σ, known as the power factor. One aims to make this parameter as large as possible, though 
it must be remembered that a large electrical conductivity also implies a large electronic component of 
the thermal conductivity. Most of the early improvements came about through a reduction in the lattice 
component of the thermal conductivity, λ
L
. This was achieved through the use of solid solutions [5] of 
bismuth  telluride  with  the  isomorphous  compounds  antimony  telluride  and  bismuth  selenide.  The 
enhanced scattering of phonons in these solid solutions is not usually accompanied by a reduction in 
the  mobility  of  the  charge  carriers.  This  is  somewhat  surprising  since  the  charge  carriers  usually 
possess the larger mean free path. 
In recent years, further reductions in the lattice conductivity have been obtained by the adoption of 
nanostructures.  Although  the  original  aim  seems  to  have  been  the  improvement  of  the  power  factor 
through quantum confinement effects [6], in actual fact it appears that the main advantage has stemmed 
from phonon scattering on the boundaries of nano-sized grains [7,8]. In other words, nano-structuring 
usually seems to affect the lattice conductivity rather than the electronic transport properties. 
It  is  important  to  realize  that  the  same  figure  of  merit  applies  for  thermoelectric  generation  [2], 
using the Seebeck effect, as for refrigeration using the Peltier effect. Thus, at any given temperature, 
the  best  refrigeration  material  will  also  be  the  best  material  for  generation.  In  so  far  as  bismuth 
telluride  alloys  are  the  best  materials  at  room  temperature,  they  must  also  be  the  best  generator 
materials, at least close to this temperature. 
One  must  remember  that  the  electrical  and  thermal  conductivities  of  bismuth  telluride  are 
anisotropic  [9]  although  the  Seebeck  coefficient  does  not  depend  on  orientation  in  the  extrinsic  or  
one-carrier regime. The lattice conductivity is about twice as large along the cleavage planes as it is in 
the perpendicular direction [10]. The anisotropy of the hole mobility is almost the same as that of the 
lattice  conductivity  so  that,  although  the  electrical  and  thermal  conductivities  in  aligned  crystals  are 
different  from  those  in  randomly  oriented  polycrystalline  material,  the  figure  of  merit  is  virtually 
isotropic  for  p-type  bismuth  telluride.  On  the  other  hand,  the  electron  mobility  is  more  strongly 
anisotropic than the lattice conductivity and this means that the figure of merit is significantly less for 
non-aligned  n-type  samples  [11]  than  it  is  for  properly  oriented  material.  This  is  unfortunate  since 
there  are  practical  advantages  in  making  material  in  polycrystalline  form  using  a  sintering  process 
rather than a melt-growth process. For example, the concept of a bulk nanostructure is probably most 
easily  realized  using  sintered  material.  Unless  some  measure  of  orientation  can  be  achieved  during 
sintering,  the  advantage  of  a  reduction  in  the  lattice  conductivity  due  to  nanostructuring  may  be 
outweighed by a fall in the power factor, α
2
σ.