[論文レビュー] Effect of Bi-substitution on Structural Stability and Improved Thermoelectric Performance of p-type Half-Heusler TaSbRu: A First-principles Study

Enamul Haque, Mostafizur Rahman+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2020

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 65被引用数 9

ひとこと要約

この第一原理的研究では、p型半ヘスラーフェーズTaSbRuにおけるBi置換が、格子熱伝導率を低下させつつ高いパワー・ファクターを維持することで、熱電性能を向上させることを調査している。スピン-軌道結合、エネルギー依存のホール緩和時間、およびフォノンボルツマン輸送計算を組み合わせることで、著者らは50% Bi置換が格子熱伝導率を20から5 W/mKに低下させ、1200 KでZTを1.1に向上させることを示しており、これは純粋なTaSbRuに比べ2.45倍の改善を示している。

ABSTRACT

Recently, Fang et al. have predicted a high ZT of 1.54 in TaSbRu alloys at 1200 K from first-principles without considering spin-orbit interaction, accurate electronic structure, details of phonon scattering, and energy-dependent holes relaxation time. Here, we report the details of structural stability and thermoelectric performance of Bi-Substituted p-type TaSbRu from first-principles calculations considering theses important parameters. This indirect bandgap semiconductor (Eg=0.8 eV by TB-mBJ+SOC) has highly dispersive and degenerate valence bands, which lead to a maximum power factor, 3.8 mWm-1K-2 at 300K. As Sb-5p has a small contribution to the bandgap formation, the substitution of Bi on the Sb site does not cause significant change to the electronic structure. Although the Seebeck coefficient increases by Bi due to slight changes in the bandgap, electrical conductivity, and hence, the power factor reduces to ~3 mW m-1K-2 at 300K (50% Bi). On the other side, lattice thermal conductivity drops effectively to 5 from 20 W/m K as Bi introduces a significant contribution in the acoustic phonon region and intensify phonon scattering. Thus, ZT value is improved through Bi-substitution, reaching 1.1 (50% Bi) at 1200 K from 0.45 (pure TaSbRu) only. Therefore, the present study suggests how to improve the TE performance of Sb-based half-Heusler compounds and TaSbRu (with 50% Bi) is a promising material for high-temperature applications.

研究の動機と目的

• 文献に報告されたTaSbRuの熱電特性に関する顕著な相違を解消すること。
• p型TaSbRuにおけるBi置換が構造的安定性および熱電性能に与える影響を調査すること。
• スピン-軌道結合、エネルギー依存の緩和時間、フォノン散乱の役割が、正確な熱電性能予測に与える影響を評価すること。
• 重元素合金化を用いたSbベース半ヘスラーフェーズにおけるZTの向上戦略を同定すること。

提案手法

• WIEN2kを用いたフル・ポテンシャル線形化された平面波（LAPW）法による第一原理計算。
• 正確な電子構造およびバンドギャップ推定のため、スピン-軌道結合（SOC）およびTB-mBJ関数を含む。
• エネルギー依存のホール緩和時間を用いたキャリア輸送特性の計算。
• フォノンボルツマン輸送方程式を用いた、原子間力定数（IFCs）からの格子熱伝導率の導出。
• さまざまなBi濃度および温度における構造的安定性、電子バンド構造、フォノン分散、および熱電効率（ZT）の体系的分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi置換はTaSbRuの構造的および電子的安定性にどのように影響するか？
• RQ2 スピン-軌道結合およびエネルギー依存の緩和時間は、TaSbRuにおけるパワー・ファクター計算にどのような影響を与えるか？
• RQ3 Bi置換はフォノン散乱および格子熱伝導率にどのように影響するか？
• RQ4 なぜ過去の理論的研究では、TaSbRuの熱電性能に関する報告値に顕著な相違が生じていたのか？
• RQ5 Bi置換は高温におけるTaSbRuのZTを顕著に向上させることができるか？

主な発見

• TB-mBJ+SOCを用いることで、TaSbRuのバンドギャップは0.8 eVであり、高い分散性およびデジェネレートした価電子帯を有する間接ギャップ半導体であることが確認された。
• Bi置換によりバンドギャップは0.8から0.83 eVにわずかに上昇し、電子構造への影響は最小限にとどまった。
• 300 Kにおける電気伝導度の低下にもかかわらず、Seebeck係数の増加により、50% Bi置換ではパワー・ファクターが3.8から約3 mWm⁻¹K⁻²に低下した。
• 300 Kにおける格子熱伝導率は、非調和性の増加およびBiによる音響フォノンへの寄与のおかげで、20から5 W/mKに低下した。
• 1200 KにおけるZTは、純粋なTaSbRuの0.45から50% Bi置換で1.1に上昇し、2.45倍の改善が得られた。
• 本研究では、エネルギーに依存しない緩和時間およびSOCの欠如が、パワー・ファクターおよびZT値の過大評価を引き起こす原因であることを示し、過去の文献における不一致を解消した。