[論文レビュー] Effect of electron-phonon scattering, pressure and alloying on the thermoelectric performance of TmCu$_3$Ch$_4$ (Tm=V, Nb, Ta; Ch=S, Se, Te)

Enamul Haque|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2020

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 32被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、電子-フォノン散乱、圧力効果、合金化を組み込むことで、TmCu₃Ch₄（Tm = V, Nb, Ta; Ch = S, Se, Te）の熱電性能を再評価した。p型TaCu₃Te₄は1 GPaの圧力下で1000 KでZT ~5.5を達成し、格子熱伝導率が0.17 W m⁻¹ K⁻¹に急激に低下したためである。一方、Seとの合金化は熱伝導率のわずかな低下にもかかわらず性能を低下させる。

ABSTRACT

The demand for green energy increases day by day due to environmental concern and thermoelectric (TE) materials are one of the eco-friendly energy resources. Few authors reported high TE performance in TmCu$_3$Ch$_4$, reaching the figure of merit (ZT) above 2 at 1000K, from first-principles calculations neglecting electron-phonon scattering, spin-orbit coupling effect (SOC), and energy-dependent carrier lifetime. Here, thermoelectric transport properties of TmCu$_3$Ch$_4$ are reinvestigated through considering these parameters, and significant discrepancies are found. The ZT of p-type TaCu$_3$Te$_4$ can reach ~3 at 1000K among these compounds due to its low lattice thermal conductivity ($κ_l$) (0.38 W m-1 K-1). Interestingly, the value of $κ_l$ is reduced to 0.17 W m-1 K-1 through 1 GPa pressure while the power factor is slightly improved due to bandgap reduction, leading to an extraordinary ZT~5.5 at 1000K. Although the substitution of Se causes a slight reduction of $κ_l$ to ~0.3 W m-1 K-1, the power factor is reduced significantly due to the dramatic reduction of DOS near Fermi level, which leads to lower the Seebeck coefficient largely and increase electrical conductivity slightly.

研究の動機と目的

• 電子-フォノン散乱、スピン-軌道結合、エネルギー依存のキャリア寿命を含めることで、TmCu₃Ch₄化合物の熱電性能を再評価すること。
• 水素的圧力がTaCu₃Te₄の格子熱伝導率および電子輸送に与える影響を調査すること。
• チalcogen（S, Se, Te）の合金化が電子状態密度および熱電特性に与える影響を評価すること。
• この材料群で超高ZT値を達成するための最適な材料および条件を同定すること。
• 電子-フォノン散乱を無視した研究とTmCu₃Ch₄でZT > 2を報告した研究との間に生じる矛盾を解消すること。

提案手法

• 電子バンド構造およびフォノン分散を計算するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を用いた。
• エネルギー依存の緩和時間を持つ緩和時間近似を用いて、電子-フォノン散乱効果を組み込んだ。
• 構造最適化を用いて水素的圧力（1 GPa）を適用し、格子動力学および熱伝導率への影響を評価した。
• スラック式およびフォノンボルツマン輸送方程式を用いて格子熱伝導率（κₗ）を計算した。
• 電子構造および緩和時間から得られるSeebeck係数と電気伝導度を用いて、電力因子を評価した。
• ZT = (S²σT)/κ（κ = κₗ + κₑ）の式を用いて、さまざまな条件下での熱電性能を決定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子-フォノン散乱を含めることで、従来の研究が無視した効果を考慮した場合、TmCu₃Ch₄化合物の予測される熱電性能はどのように変化するか？
• RQ2 水素的圧力がTaCu₃Te₄の格子熱伝導率および電力因子に与える影響は何か？
• RQ3 チalcogen置換（S, Se, Te）がフェルミ準位近くの電子状態密度に与える影響およびそれによる熱電特性への影響は何か？
• RQ4 圧力誘発のバンドギャップ縮小が、電力因子の向上と同時に格子熱伝導率の低下をもたらすか？
• RQ5 Se合金化は格子熱伝導率がわずかに低下しているにもかかわらず、なぜZTを低下させるのか？

主な発見

• 電子-フォノン散乱およびエネルギー依存のキャリア寿命を組み込むことで、従来の研究がこれらの効果を無視していたことと比較して、ZTの予測に顕著な差が生じた。
• p型TaCu₃Te₄は、格子熱伝導率が0.38 W m⁻¹ K⁻¹と低いため、1000 KでZT ~3を達成した。
• 1 GPaの圧力を加えることで、格子熱伝導率が0.17 W m⁻¹ K⁻¹に低下し、バンドギャップの縮小により電力因子がわずかに向上し、1000 Kで驚異的なZT ~5.5を達成した。
• Se合金化により格子熱伝導率は約0.3 W m⁻¹ K⁻¹に低下したが、フェルミ準位近くの状態密度が著しく低下し、Seebeck係数が減少した。
• Se置換による電力因子の低下が、κₗの低減の利益を上回り、結果として熱電性能全体が低下した。
• 圧力下におけるTaCu₃Te₄は、TmCu₃Ch₄系の中で最も有望な候補であり、1000 Kで予測される最高のZT ~5.5を達成した。