[論文レビュー] High Seebeck coefficient and ultra-low lattice thermal conductivity in Cs2InAgCl6

Enamul Haque, Md.A. Hossain|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2018

Perovskite Materials and Applications参考文献 26被引用数 8

ひとこと要約

第一原理研究は、Cs2InAgCl6が優れた熱電材料であることを調査し、室温で199 μV/Kの高いゼーベック係数と、強いフォノン散乱および低フォノン群速度による超低フォノン熱伝導率（約0.2 Wm⁻¹K⁻¹）を明らかにした。この材料は、TB-mBJを用いた計算で3.67 eVの直接帯ギャップを示し、700 KでZTが0.74に達する。これは、効率的な熱電応用の強力な可能性を示している。

ABSTRACT

The elastic, electronic and thermoelectric properties of indium-based double-perovskite halide, Cs2InAgCl6 have been studied by first principles study. The Cs2InAgCl6 is found to be elastically stable, ductile, anisotropic and relatively low hard material. The calculated direct bandgap 3.67 eV by TB-mBJ functional fairly agrees with the experimentally measured value 3.3 eV but PBE functional underestimates the bandgap by 1.483 eV. The relaxation time and lattice thermal conductivity have been calculated by using relaxation time approximation (RTA) within the supercell approach. The lattice thermal conductivity (\k{appa}l) is quite low (0.2 Wm-1K-1). The quite low phonon group velocity in the large weighted phase space, and high anharmonicity (large phonon scattering) are responsible for small \k{appa}l. The room temperature Seebeck coefficient is 199 μVK-1. Such high Seebeck coefficient arises from the combination of the flat conduction band and large bandgap. We obtain power factors at 300K by using PBE and TB-mBJ potentials are ~29 and ~31 mWm-1K-2, respectively and the corresponding thermoelectric figure of merit of Cs2BiAgCl6 are 0.71 and 0.72. However, the maximum ZT value obtained at 700K is ~0.74 by TB-mBJ potential. The obtained results implies that Cs2InAgCl6 is a promising material for thermoelectric device applications.

研究の動機と目的

• Cs2InAgCl6が新規な二ペロブスカイトハライド材料としての熱電特性を評価すること。
• その超低フォノン熱伝導率と高いゼーベック係数の起源を理解すること。
• PBEおよびTB-mBJ関数の比較を通じて、電子バンド構造および熱電特性を分析すること。
• 実用的応用のための機械的安定性および異方性挙動を評価すること。
• 関連温度範囲における熱電効率（ZT）を決定すること。

提案手法

• PBEおよびTB-mBJ関数を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用し、電子的およびバンド構造的性質を計算した。
• 超格子法を用いた緩和時間近似（RTA）を用いて、フォノン熱伝導率（κₗ）を計算した。
• フォノン分散関数および群速度の分析により、低κₗの起源を解明した。
• 定常緩和時間近似のもとで、ボルツマン輸送方程式を用いてゼーベック係数およびパワーファクターを計算した。
• 弾性定数を用いた機械的安定性の評価を行い、延性、異方性および硬度を分析した。
• パワーファクターおよび熱伝導率から、熱電効率（ZT）を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cs2InAgCl6の電子的バンドギャップは何か？ これは実験値とどのように比較されるか？
• RQ2 Cs2InAgCl6に見られる超低フォノン熱伝導率の原因は何か？
• RQ3 室温におけるCs2InAgCl6のゼーベック係数は、他の熱電材料と比べてどうか？
• RQ4 Cs2InAgCl6で達成可能な最大ZT値は何か？ どの温度で達成されるか？
• RQ5 異なる交換相関関数（PBE対TB-mBJ）は、予測された熱電性能にどのように影響するか？

主な発見

• TB-mBJ関数を用いた計算では、Cs2InAgCl6は3.67 eVの直接帯ギャップを示し、実験値の3.3 eVに近く一致する。
• PBE関数ではバンドギャップが1.483 eV小さく見積もられ、バンド構造予測における関数選択の重要性を示している。
• フォノン熱伝導率（κₗ）は、低フォノン群速度と高い非調和性のおかげで、0.2 Wm⁻¹K⁻¹という極めて低い値を示す。
• 室温におけるゼーベック係数は199 μV/Kに達し、平坦な伝導帯および大きなバンドギャップに起因する。
• 300 Kにおけるパワーファクターは、PBEで約29 mWm⁻¹K⁻²、TB-mBJで約31 mWm⁻¹K⁻²であり、対応するZT値は0.71および0.72である。
• TB-mBJ関数を用いた計算で、700 Kで最大ZT値0.74を達成し、高温域における強力な熱電可能性を示している。