[論文レビュー] Nanograined half-Heusler semiconductors as advanced thermoelectrics: an ab-initio high-throughput statistical study

Jesús Carrete, Natalio Mingo+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2014

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 58被引用数 146

ひとこと要約

本研究では、75種の熱力学的に安定なナノ結晶性半ヘスラー半導体をab-initioによる高スループットスクリーニングにより実施し、高性能な熱電材料を特定した。第一原理計算と一定平均自由行程近似を用いて、高温でZT > 2を達成する化合物を同定し、大きな格子定数および広いバンドギャップ、あるいは重いホール有効質量がZTの向上に寄与することを明らかにした。これにより、材料選択のための予測可能な機械学習ルールが得られた。

ABSTRACT

Nanostructuring has spurred a revival in the field of direct thermoelectric energy conversion. Nanograined materials can now be synthesized with higher figures of merit (ZT) than the bulk counterparts. This leads to increased conversion efficiencies. Despite considerable effort in optimizing the known and discovering the unknown, technology still relies upon a few limited solutions. Here we perform ab-initio modeling of ZT for 75 nanograined compounds obtained by filtering down the 79,057 half-Heusler entries available in the AFLOWLIB.org repository according to electronic and thermodynamic criteria. For many of the compounds the $ZT$s are markedly above those attainable with nanograined IV and III-V semiconductors. About 15% of them may even outperform ZT~2 at high temperatures. Our analysis elucidates the origin of the advantageous thermoelectric properties found within this broad material class. We use machine learning techniques to unveil simple rules determining if a nanograined half-Heusler compound is likely to be a good thermoelectric given its chemical composition.

研究の動機と目的

• ナノ結晶状態における高熱電性能を示す半ヘスラー化合物を同定すること。
• 実験的スクリーニングの限界を克服し、ZTの第一原理的・高スループット予測を可能にすること。
• 化学組成および電子構造に基づいた、ナノ結晶性半ヘスラーの予測可能な設計ルールを確立すること。
• バンドギャップ、有効質量、格子定数などの材料特性が、ナノ結晶限界におけるZTをどのように最大化するかを特定すること。
• ナノ結晶限界モデルの適用可能性を検証するため、現実的な結晶粒径を推定し、バルクの熱伝導率と比較すること。

提案手法

• AFLOWLIBに収録された79,057種の半ヘスラー化合物を対象に、VASPを用いたab-initio計算を実施。PAW擬ポテンシャルとPBE交換相関関数を用いた。
• フィルタリング基準として、負の形成エンタルピー、機械的安定性（実数のフォノン分散関数）、および三成分相図による熱力学的安定性を適用。
• 一定平均自由行程（λ）近似を用いて、電子的および格子振動輸送係数を計算し、ZTをλに依存しない形に簡略化。
• 簡略化された輸送方程式（σ ∝ λ、Sは独立、κℓ ∝ λ、κe ∝ λ）を用いてZTを計算。ブリユアンゾーン全体でのM(FD)nおよびM(BE)n積分を実施。
• 電子輸送計算には、カスタマイズされた一定λアンサッツと80×80×80 kポイントグリッドを用いたBOLTZTRAPを適用。
• 再帰的分割法を用いた機械学習により、元素組成に基づく高ZTの条件付き確率を導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノ結晶性半ヘスラー化合物の中で、高温でZT > 2を示すものはどれであり、従来のIV族およびIII-V族半導体と比べてどのように異なるか？
• RQ2 ナノ結晶性半ヘスラーでZTが向上する主な電子的および格子輸送機構は何か？
• RQ3 格子定数およびバンドギャップ、またはホール有効質量が、ナノ結晶限界におけるZTにどのように影響を与えるか？
• RQ4 単純な元素組成ルールにより、ナノ結晶性半ヘスラーの高ZTを高精度で予測できるか？
• RQ5 ナノ結晶限界モデルが有効となると予想される結晶粒径の範囲は何か？また、実験的実現可能性と比較するとどうか？

主な発見

• 75種の安定なナノ結晶性半ヘスラー化合物のうち15%が、高温でZT > 2を達成すると予測され、バルクのIV族およびIII-V族半導体を著しく上回る性能を示した。
• 高温で最も優れた性能を示す5つの候補は、BiBaK、RhSnTa、AuAlHf、CoBiZr、CoAsHfであり、いずれも1000 KでZT > 2を達成した。
• 多くの化合物で室温でのZTが0.5を超えており、特にBiBaK、SbNaSr、AuAlHf、CoBiZr、RhSnTaが上位5位にランクされた。
• 高ZTは主に高いパワー・ファクターと、界面散乱による格子熱伝導率の低減に起因する。
• 高ZTを実現するための主要な構造的要因は、大きな格子定数に加え、高温では広いバンドギャップ、室温では大きなホール有効質量である。
• 再帰的分割法により、高い予測能を持つ元素組成ルールが同定された。例えば、Na、Al、Si、Ti、Sn、またはCoの存在は、室温および高温の両方で高ZTの可能性を高める。