[論文レビュー] Electronic Structure and Thermoelectric Properties of Half-Heusler Alloys NiTZ

Dhurba Raj Jaishi, Nileema Sharma+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2020

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 64被引用数 54

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論およびボルツマン輸送計算を用いて、18価電子半ヘスラーバイナリ系合金NiTZ（T = Sc, Ti; Z = P, As, Sn, Sb）の電子的および熱電的性質を調査した。これらの合金は間接ギャップを示し、中程度のZT値を示しており、特にNiScPは1200 KでZT = 0.46を達成しており、ドーピング最適化によって熱電応用への可能性を示している。

ABSTRACT

We have investigated the electronic and thermoelectric properties of half-Heusler alloys NiTZ (T = Sc, and Ti; Z = P, As, Sn, and Sb) having 18 valence electron. Calculations are performed by means of density functional theory and Boltzmann transport equation with constant relaxation time approximation, validated by NiTiSn. The chosen half-Heuslers are found to be an indirect band gap semiconductor, and the lattice thermal conductivity is comparable with the state-of-the-art thermoelectric materials. The estimated power factor for NiScP, NiScAs, and NiScSb reveals that their thermoelectric performance can be enhanced by appropriate doping rate. The value of ZT found for NiScP, NiScAs, and NiScSb are 0.46, 0.35, and 0.29, respectively at 1200 K.

研究の動機と目的

• 18価電子を有する未十分に研究されたNiベースの半ヘスラーバイナリ系合金の電子的および熱電的性質を調査すること。
• NiTZ（T = Sc, Ti; Z = P, As, Sn, Sb）の熱電的性能を評価し、エネルギー変換デバイスへの応用可能性を検討すること。
• 実験的に知られているNiTiSnをベンチマークとして用いて、計算手法の妥当性を検証すること。
• キャリア濃度の調整およびドーピングによって、発電因子およびZTの向上が可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 電子構造計算にWIEN2k内蔵のフルポテンシャル線形化加重平面波（FP-LAPW）法を用いた。
• 一般化勾配近似（GGA）にPBE関数を適用し、mBJポテンシャルを用いてバンドギャップの精度を向上させた。
• 半古典的ボルツマン輸送方程式を用い、定常緩和時間近似のもとでボルツラップコードを用いて輸送特性を計算した。
• 量子エスプレッソのthermal2を用いて、単一モード緩和時間近似のもとで線形化ボルツマン輸送方程式を用いて格子熱伝導度を計算した。
• NiTiSnの実験データと照合し、動的安定性を確認するためのフォノン分散計算を実施した。
• 電子的および輸送特性計算にそれぞれ10×10×10および50×50×50のkメッシュを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 18価電子を有するNiTZ半ヘスラーバイナリ系合金は、熱電応用に適した電子的バンド構造を有しているか？
• RQ2 高温下におけるNiScP、NiScAs、NiScSbの予測される熱電的性能（ZTおよび発電因子）は何か？
• RQ3 これらの合金の格子熱伝導度は、最先端の熱電材料と比較してどの程度か？
• RQ4 Zサイトにおける適切なドーピングによって、発電因子および総合的ZTが向上可能か？
• RQ5 フォノン分散計算により確認されるように、これらの合金は動的安定性を有しているか？

主な発見

• 全研究対象のNiTZ合金（NiScP、NiScAs、NiScSb、NiTiSn）は間接ギャップを示し、組成に応じて0.28 eVから0.62 eVの範囲のギャップ値を示した。
• フォノン分散計算により、全ブリユアンゾーンにおいて虚数周波数が存在しないため、動的安定性が確認された。
• NiScP、NiScAs、NiScSbの発電因子は最適ドーピングによって向上可能であると予測され、電子的輸送特性のチューニングが可能であることが示された。
• ZT値は1200 KでNiScPが0.46、次いでNiScAsが0.35、NiScSbが0.29を示し、中程度の熱電的性能であることが判明した。
• 格子熱伝導度は、最先端の熱電材料と同等の値であり、効率的なエネルギー変換への可能性を支持している。
• 電子構造は、フェルミ準位付近のNiおよびScの3d軌道が支配的であり、Zサイト原子からの寄与は最小限に抑えられており、価電子帯における強い混合性が示された。