[論文レビュー] extit{Ab initio} study of Bi-based half Heusler alloys as potential thermoelectric prospects

Sapna Singh, Mohd Zeeshan+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2019

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

このab initio研究では、CoTiBi、CoZrBi、CoHfBi、FeVBi、FeNbBi、およびFeTaBiのビスマス含有半ヘスラーアロイを、有望なp型熱電材料として調査している。第一原理計算とボルツマン輸送理論を用いて、p型CoTiSbよりも約40%高いパワー・ファクターと、1100 Kで最大ZT値1.53を達成することが予測され、特にCoZrBiは従来のSb含有類縁体よりも低い熱伝導率を示しており、実験的探索の強い可能性を示している。

ABSTRACT

We investigated six heavy element bismuth-based 18-VEC half-Heusler alloys CoTiBi, CoZrBi, CoHfBi, FeVBi, FeNbBi, and FeTaBi by first principles approach, in search of better thermoelectric prospects. The motivation is driven by expected lower thermal conductivity and the recent discovery of CoZrBi-based materials. Significantly, our calculated power factor values of all the systems show an increment of $\sim$40\% in comparison to the reported extit{p}-type CoTiSb. We propose that doping at Bi-site, on account of electronic features, will be helpful in achieving the proposed power factor values. Interestingly, the thermal conductivity of CoTiBi and CoZrBi was found to be lower and that of CoHfBi was almost parallel, in comparison to the reported CoTiSb. We also provide conservative estimates of the figure of merit, exceeding the reported CoTiSb and comparable to FeNbSb. Overall, our results suggest potential new candidates of bismuth-based ternary compounds for high thermoelectric performance.

研究の動機と目的

• 重いBi元素の低い熱伝導率を活用して、熱電性能が向上したビスマス含有半ヘスラーアロイの同定を目的とする。
• 第一原理手法を用いて、コバルトおよび鉄族のビスマス含有hH化合物の電子的および輸送特性を評価すること。
• パワー・ファクターおよびZT（図零）の最適化のため、Biサイトにおけるp型ドーピングの可能性を評価すること。
• CoTiSb や FeNbSb といった既知のp型材料と比較して、ビスマス含有hHアロイの熱電性能を評価すること。
• 構造的・動的・熱力学的安定性の分析を通じて、実験的合成に向けた理論的指針を提供すること。

提案手法

• Wien2kを用いたFLAPW法と、Quantum Espressoを用いた平面波擬ポテンシャル法による第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• 電子構造および輸送計算に、PBEsol交換相関関数とスカラー相対論的近似を用いる。
• 電気伝導度、セーベック係数、パワー・ファクターの計算に、半古典的ボルツマン輸送理論を用いたBoltztrapコードの適用。
• 輸送特性の最適化のため、Biサイトにおけるp型ドーピングを模擬するのに剛体バンド近似を採用。
• 動的安定性の評価および構造的頑健性の確認のため、平面波擬ポテンシャル法によるフォノン分散計算を実施。
• 保守的な仮定に基づき、熱伝導度および図零（ZT）を推定し、ZTはZT = S²σT / (κₑ + κₗ) の式で計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビスマス含有半ヘスラーアロイは、従来のp型CoTiSbよりも高いパワー・ファクターを示す可能性があるか？
• RQ2 ビスマス含有hH化合物は、アンチモン含有類縁体と比較して顕著に低い格子熱伝導率を示すか？
• RQ3 高温におけるコバルトおよび鉄族のビスマス含有hHアロイの予測される熱電性能（ZT）は何か？
• RQ4 Biサイトにおけるp型ドーピングは、これらの系のパワー・ファクターにどのように影響を与えるか？
• RQ5 提案されたビスマス含有hHアロイは、動的および熱力学的に十分に安定しており、実験的合成に適していると評価できるか？

主な発見

• すべてのビスマス含有hH系のパワー・ファクターは、報告されたp型CoTiSbよりも約40%高い。特にCoZrBiは、パワー・ファクターが約47%高い。
• セーベック係数は159〜182 μV K⁻¹の範囲にあり、CoZrBiは価電子帯最大付近の高いバンド簡約性により最大値を示した。
• 格子熱伝導度は顕著に低減された：CoTiBi（約13 W m⁻¹ K⁻¹）、CoZrBi（約10 W m⁻¹ K⁻¹）、CoHfBi（約15 W m⁻¹ K⁻¹）であり、CoTiSb（約17 W m⁻¹ K⁻¹）と比較して低い。
• p型CoZrBiの最大ZT値は1100 Kで1.53に達し、報告されたCoTiSbの値を上回り、FeNbSbの値に近づいた。
• FeTaBiは1100 Kでp型FeNbSbと同等のパワー・ファクターを示し、p型ドーピング下での強力な熱電可能性を示した。
• フォノン分散を用いた動的安定性の確認が全系でなされ、CoTiBiおよびCoHfBiは熱力学的に安定であったが、鉄族化合物は母体状態では不安定性が疑問視されたが、ドーピング下では依然として実現可能であった。