[論文レビュー] Looking for new thermoelectric materials among the TMX intermetallics using high-throughput calculations

Céline Barreteau, Jean‐Claude Crivello+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2018

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 69被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、高スループット密度汎関数理論（DFT）計算を用いて、4つの結晶構造（TiNiSi、MgAgAs、BeZrSi、ZrNiAl）にまたがる2,280の三元系TMXインタメタリック構成を、熱電半導体のスクリーニングに用いた。21の安定で金属でない化合物が同定され、そのうちTaFeSb、HfTiSn、HfCoP、SrCuSbの4つは、報告されていない電子的性質を有する新規候補であり、熱電応用の可能性を秘めている。

ABSTRACT

Within 4 different crystal structures, 2280 ternary intermetallic configurations have been investigated via high-throughput density functional theory calculations in order to discover new semiconducting materials. The screening is restricted to intermetallics with the equimolar composition TMX, where T is a transition metal from the Ti, V, Cr columns, Sr, Ba, Y and La, M an element from the first line of transition metals and X a sp elements (Al, P, Si, Sn and Sb), i.e. to a list of 24 possible elements. Since the calculations are done combinatorically, every possible ternary composition is considered, even those not reported in the literature. All these TMX configurations are investigated in the 4 most reported structure-types: TiNiSi, MgAgAs, BeZrSi and ZrNiAl. With an excellent agreement between calculations and literature for the reported stable phases, we identify 472 possible stable compounds among which 21 are predicted as non-metallic. Among these 21 compositions, 4 could be considered as new semiconductors.

研究の動機と目的

• 等モルのTMXインタメタリックに属する新しい安定で半導体性の熱電材料の発見を目的とする。
• Ti、V、Cr、Sr、Ba、Y、Laからの遷移金属（T）、1族遷移金属（M）、およびsp族元素（Al、P、Si、Sn、Sb）の1:1:1組成のすべての可能な組み合わせを、高スループットDFTを用いて体系的にスクリーニングすること。
• 熱電応用に適した非金属的性質（半導体的または半金属的）を示す化合物の同定。
• 結晶構造データベースからの実験データと予測された安定性および電子構造を比較することで、計算モデルの妥当性を検証すること。
• 実験的合成可能性と熱電性能の可能性を考慮し、新規で報告されていない化合物を優先順位として挙げること。

提案手法

• 2,280のユニークなTMX構成を、TiNiSi（Pnma）、MgAgAs（F-43m、半ヘスラー）、BeZrSi（P63/mmc）、ZrNiAl（P-62m）の4つの結晶構造にわたって、組み合わせ的高スループットアプローチで生成した。
• VASPを用いて、GGA-PBE関数とプロジェクター付加重波（PAW）法を用いた密度汎関数理論（DFT）を用い、生成熱と電子状態密度を計算した。
• 各組成について、4つのプロトタイプ構造間の生成熱を比較することで、最も安定な構造を特定した。
• 電子構造解析では、フェルミエネルギーにおける状態密度（DOS）を評価し、非ゼロのバンドギャップとEF付近の低DOSを示す半導体的性質を同定した。
• 安定性は、無機結晶構造データベース（ICSD）からの実験データと照合し、相図解析を用いて熱力学的安定性を評価した。
• 半導体的で安定であり、かつ文献に報告されていないか、電子的性質が不明な化合物は、熱電応用の可能性を考慮して優先順位を付与した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2,280の構成の中から、熱力学的に安定で非金属的（半導体的または半金属的）なTMXインタメタリックはどれか？
• RQ2 高スループットDFTアプローチは、既知の安定で半導体的なTMX化合物をどれほど正確に予測できるか？
• RQ3 予測された半導体的化合物の中で、文献に報告されていないものはどれか？
• RQ4 18電子則は、半ヘスラー（MgAgAs型）半導体的TMX化合物の安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 予測された安定性と非金属的性質を考慮した場合、実験的合成に最も適した化合物はどれか？

主な発見

• 2,280の構成のうち、472化合物が熱力学的に安定であると予測され、そのうち21が非金属的（半導体的または半金属的）と特定された。
• 21の非金属的化合物のうち16は、MgAgAs（半ヘスラー）構造型に予測され、すべて18電子則に従った。
• 21の非金属的化合物のうち10は、文献にすでに報告されており、有望な熱電材料として実験的に確認されている。
• TaFeSb、HfTiSn、HfCoP、SrCuSbの4化合物は、電子的性質に関する実験的報告がない安定な半導体と予測された。
• HfCoPとSrCuSbは、文献に結晶構造が報告されているが、電子的・輸送的性質が測定されていないため、今後の研究の好ましい候補である。
• LaCuSnは、構造の曖昧さと複数のプロトタイプ間での類似した生成熱のため、金属的である可能性が高く、MgAgAs構造が唯一の非金属的構造であったが、最も安定ではないと判明した。