[論文レビュー] Connecting thermoelectric performance and topological-insulator behavior: Bi$_2$Te$_3$ and Bi$_{2}$Te$_{2}$Se from first principles

Hongliang Shi, David Parker+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2014

Topological Materials and Phenomena被引用数 12

ひとこと要約

本研究は、第一原理計算を用いてBi₂Te₃およびBi₂Te₂Seにおけるトポロジカル絶縁体の挙動と高効率な熱電性能の関連を明らかにした。スピン軌道結合によって誘導される複雑で非放物型のバンド構造が、トポロジカル絶縁体としての性質と熱電効率の両方を向上させることを示した。同一の結晶構造を有するが、バンド反転の性質が異なるため、電子的応答が著しく異なり、特にSeを多く含む条件では、バンドの異方性と低い欠陥生成エネルギーのおかげでBi₂Te₂Seが優れた熱電性能を示す。

ABSTRACT

Thermoelectric performance is of interest for numerous applications such as waste heat recovery and solid state energy conversion, and will be seen to be closely connected to topological insulator behavior. In this context we here report first principles transport and defect calculations for Bi$_{2}$Te$_{2}$Se in relation to Bi$_{2}$Te$_{3}$. The two compounds are found to contain remarkably different electronic structures in spite of being isostructural and isoelectronic. We discuss these results in terms of the topological insulator characteristics of these compounds.

研究の動機と目的

• Bi₂Te₃およびBi₂Te₂Seにおけるトポロジカル絶縁体（TI）の挙動と高効率な熱電性能の関連を調査すること。
• 同一構造的・同一電子的性質を有するが、著しく異なる電子構造および輸送特性を示す理由を理解すること。
• Bi₂Te₂Seの欠陥生成エネルギーと熱力学的安定性を評価し、高性能熱電材料としての可能性を検討すること。
• トポロジカル絶縁体に特徴的な複雑なバンド構造が、熱電輸送において本質的に有利であるかどうかを特定すること。
• バンド構造の工学的設計を通じて、TI材料がZTの向上に寄与する可能性を検討すること。

提案手法

• スピン軌道結合を含む密度汎関数理論（DFT）を用いて、電子構造およびバンド分散を計算した。
• BoltzTraPコードを用いて、電子バンド構造から輸送特性（ゼーベック係数、電気伝導度、パワー・ファクター）を計算した。
• 輸送特性の高精度な統合のため、四面体法とガウススムージングを適用した。
• 生成エネルギー式 ΔH_f = E_def - E_bulk - Σ ν_i μ_i を用いて、反位点欠陥（Se_TeおよびTe_Se）の生成エネルギーを計算した。
• 二元および三元化合物の生成エネルギーから得られる熱力学的制約を用いて、Bi₂Te₂Seの化学ポテンシャル範囲を予測した。
• 図12の台形ABCDに示される安定な化学ポテンシャル領域をマッピングし、ストイキオメトリックなBi₂Te₂Seの合成条件を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン軌道結合によるバンド反転が、Bi₂Te₃およびBi₂Te₂Seの電子構造および熱電輸送にどのように影響を与えるか？
• RQ2 Bi₂Te₃およびBi₂Te₂Seは同一構造的・同一電子的性質を有するが、なぜ著しく異なる熱電性能を示すのか？
• RQ3 変動する化学ポテンシャル下でのBi₂Te₂Seにおける反位点欠陥の生成エネルギーは何か？ また、それらは材料の安定性にどのように影響するか？
• RQ4 トポロジカル絶縁体に特徴的な複雑で非放物型のバンド構造は、熱電性能の向上に寄与するのか？
• RQ5 Bi₂Te₂Seの熱力学的安定性を保証する化学ポテンシャル条件は何か？ そして、合成条件および欠陥制御へのインパクトは何か？

主な発見

• Bi₂Te₂Seは、スピン軌道結合による強いバンド反転のおかげで、Bi₂Te₃よりもはるかに複雑で非放物型のバンド構造を示し、高効率な熱電性能に有利なひねりのある等エネルギー面を持つ。
• フェルミ準位付近の異方的かつ非放物型のバンド分散のおかげで、Bi₂Te₂Seのゼーベック係数およびパワー・ファクターはBi₂Te₃に比べ顕著に向上している。
• Bi₂Te₂SeにおけるTe_SeおよびSe_Te欠陥の生成エネルギーはそれぞれ0.041 eVおよび0.154 eVと低く、特にSeを多く含む領域では欠陥濃度が高くなる傾向にある。
• Bi₂Te₂Seの熱力学的安定範囲は狭く、化学ポテンシャル空間における台形領域（図12のABCD）に限定されており、この範囲外ではBi₂Te₃（Te過剰）およびBi₂Se₃（Se過剰）への不安定化が生じる。
• 低生成エネルギーは、非ストイキオメトリーおよび合金散乱が支配的になると予想され、好ましいバンド構造にもかかわらずキャリア移動度が低下する可能性がある。
• 本研究は、スピン軌道結合によって誘導される複雑で非放物型のバンド構造が、トポロジカル絶縁体の挙動と高効率な熱電性能の両者を結ぶ共通の起源であることを明確にした。