[論文レビュー] Double Half-Heusler Alloys X$_2$Ni$_2$InSb (X= Zr/Hf) with promising Thermoelectric Performance: Role of varying structural phases

Bhawna Sahni, Aftab Alam|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2023

Advanced Thermoelectric Materials and Devices被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、テトラゴナル相、立方相、固溶体相の3つの相において、X₂Ni₂InSb（X = Zr/Hf）の二重半ヘスラー合金の熱電特性を調査した。その結果、格子熱伝導率が低く、電子輸送が優れていることから、テトラゴナル相が優れた熱電性能を示すことが明らかになった。Zr₂Ni₂InSbは、900 Kでn型導電においてピークZTが2.46に達し、高効率熱電材料としての強い可能性を示している。

ABSTRACT

Double half-heusler alloys are the new class of compounds which can be seen as transmuted version of two single half-heusler with higher flexibility of tuning their properties. Here, we report a detailed study of thermoelectric (TE) properties of two double half-heusler (HH) alloys X$_2$Ni$_2$InSb (X=Hf/Zr), using first-principles calculation. These alloys exhibit a rich phase diagram with the possibility of tetragonal, cubic and solid solution phase at different temperature range. As such, a comparative study of TE properties of all these phases is performed. The ordered phases show quite favorable electronic transport as compared to the disordered ones in both compounds. Lattice thermal conductivity of double HH alloys is lower than their ternary counter-part, making them most promising for TE application. Simulated band gap, obtained using hybrid functional, of ordered phases of Hf$_2$Ni$_2$InSb and Zr$_2$Ni$_2$InSb lie in the range 0.24-0.4 eV and 0.17-0.59 eV respectively, while for disordered phase, it is 0.05- 0.06 eV. Hf$_2$Ni$_2$InSb shows a reasonably high ZT value of $\sim$ 2.19, while Zr$_2$Ni$_2$InSb yields 2.46 at high temperature for n-type conduction in tetragonal phase. The ZT value for p-type conduction is also quite promising ($\sim$ 1.35 and $\sim$ 2.19 for Hf- and Zr-based compounds). In both the compounds, electronic transport (Seebeck and electrical conductivity) plays the dominant role for the high ZT-value. Keeping in mind the promising TE performance, we propose immediate attention from experimentalists to synthesize and cross validate our findings for these new candidate materials.

研究の動機と目的

• 二重半ヘスラー合金X₂Ni₂InSb（X = Zr/Hf）が、複数の構造相において示す熱電特性を調査すること。
• 構造相（テトラゴナル相、立方相、固溶体相）が、電子的および熱的輸送特性をどのように調整するかを評価すること。
• 熱電効率の指標（ZT）を最大化する最適な相とドーピングレベルを同定すること。
• ZrおよびHfを基とする化合物の性能を比較し、実験的合成の可能性を評価すること。

提案手法

• バンドギャップを正確に計算するために、HSE06混合関数を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• BoltzTraP2コードを用いて、電子的輸送特性（ゼーベック係数、電気伝導度、パワー因子）を計算した。
• Wiedemann-Franz則およびフォノン群速度解析を用いて、格子熱伝導率（κL）を計算した。
• キャリア濃度に依存するZTの変動を模擬するために、剛体バンド近似を用いた。
• 構造的リラクゼーションおよびフォノン分散計算を実施し、相の安定性と非調和性を評価した。
• 重いSb原子に起因するバンド分裂を考慮するため、スピン-軌道相互作用を組み込んだ。

Figure 1: Theoretically optimized crystal structures of Hf 2 Ni 2 InSb (top) and Zr 2 Ni 2 InSb (bottom) in (a) cubic (b) tetragonal and (c) SQS phases.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X₂Ni₂InSb（X = Zr/Hf）の熱電特性は、テトラゴナル相、立方相、固溶体相の間でどのように変化するか？
• RQ2 格子熱伝導率が、二重半ヘスラー合金のZT性能に果たす役割は何か？
• RQ3 電子的輸送（ゼーベック係数およびパワー因子）は、これらの材料で高いZT値を達成するためにどのように寄与しているか？
• RQ4 Zr₂Ni₂InSbおよびHf₂Ni₂InSbのn型およびp型導電において、最高のZTを達成する相とドーピングレベルは何か？
• RQ5 スピン-軌道相互作用は、電子バンド構造および熱電応答にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• Zr₂Ni₂InSbのテトラゴナル相は、900 Kでn型導電においてピークZTが2.46に達し、調査されたすべての相および組成の中で最高の値を示した。
• Hf₂Ni₂InSbのテトラゴナル相は、900 Kでn型導電においてZTが2.19に達し、優れた性能を示した。
• テトラゴナル相は、格子熱伝導率（κL）が最も低く、パワー因子と同等の水準であるにもかかわらず、ZTの向上に寄与する重要な要因である。
• p型導電において、Zr₂Ni₂InSbのテトラゴナル相は900 KでZTが2.19に達し、Hf₂Ni₂InSbは1.35に達した。
• HSE06関数を用いた秩序状態のテトラゴナルZr₂Ni₂InSbのシミュレートされたバンドギャップは、0.17〜0.59 eVの範囲にあり、好適な半導体的挙動を示した。
• 電子的輸送が、高いZT値の主な要因であり、n型Zr₂Ni₂InSbのテトラゴナル相では、パワー因子が最大29.7 mWm⁻¹K⁻²に達した。

Figure 2: Atom/orbital-projected electronic band structures of (a,b) cubic (c,d) tetragonal and (e,f) disordered SQS structure of Hf- and Zr-based double HH alloys respectively.