[論文レビュー] Optoelectronic and thermoelectric properties of Ba3DN (D = Sb, Bi): A DFT investigation

Enamul Haque, Md. Taslimur Rahman+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2018

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 25被引用数 7

ひとこと要約

このDFT研究では、六方晶反ペロブスカイトBa₃DN (D = Sb, Bi) の光学・電気的および熱電特性を調査し、両材料がそれぞれ1.35 eVおよび1.33 eVの直接帯ギャップ半導体であることが判明した。スピン-軌道結合を含めると、Ba₃BiNの帯ギャップは顕著に減少するが、両化合物とも高い吸収係数と屈折率を示しており、高いSeebeck係数とパワーファクターのおかげで、高効率な太陽電池および熱電応用の強い可能性を示している。

ABSTRACT

We have investigated the optoelectronic and thermoelectric properties of hexagonal antiperovskites Ba$_3$DN (D = Sb, Bi) using DFT calculations. The calculated equilibrium lattice parameters of both compounds are in good agreement with the available data. The calculated electronic structures indicate that they are direct bandgap semiconductors and the values of bandgaps are 1.35 and 1.33 eV for Ba3SbN and Ba3BiN, respectively. The inclusion of the spin-orbit effect split the conduction bands and the band gap of Ba$_3$BiN is much reduced. These two compounds have a high absorption coefficient, notably higher than that for GaAs and close to that for silicon. The obtained static refractive index is ~2.8 and 3.26, for Ba$_3$SbN and Ba$_3$BiN, respectively. We predict that both materials are suitable for a high-efficiency solar cell. Both compounds exhibit a high Seebeck coefficient and high power factor. Our analysis predicts that the studied materials are potential candidates in thermoelectric device applications.

研究の動機と目的

• 六方晶反ペロブスカイトBa₃SbNおよびBa₃BiNの光学・電気的および熱電特性を評価すること。
• これらの材料が太陽電池および熱電デバイス応用に適しているかどうかを特定すること。
• スピン-軌道結合が電子帯構造および帯ギャップの縮小に与える影響を分析すること。
• 両化合物の光学応答および電気的輸送特性を比較すること。

提案手法

• 一般化勾配近似（GGA）を用いた密度汎関数理論（DFT）計算を、PBE汎関数を用いて実施した。
• スピン-軌道結合（SOC）効果を含め、それが帯構造および帯ギャップに与える影響を評価した。
• 誘電関数から得られる吸収係数および屈折率といった光学的特性を計算した。
• BoltzTraPコードを用いて、Seebeck係数およびパワーファクターを含む熱電特性を評価した。
• 格子定数を最適化し、利用可能な実験データと比較することで、計算モデルの妥当性を検証した。
• 直接帯ギャップの性質およびキャリア有効質量を特定するために、電子帯構造および状態密度を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ba₃SbNおよびBa₃BiNの電子的帯構造および帯ギャップは何か？スピン-軌道結合はそれらにどのように影響を与えるか？
• RQ2 これらの材料の光学的吸収係数および屈折率は、GaAs や Si といった既存の半導体と比べてどうか？
• RQ3 Ba₃SbNおよびBa₃BiNの予測される熱電性能（Seebeck係数およびパワーファクター）は何か？
• RQ4 光学的および電子的特性から見た場合、これらの材料は高効率太陽電池応用に適していると考えられるか？
• RQ5 Sbの置換としてBiを導入することで、Ba₃SbNおよびBa₃BiNの電子的および輸送特性はどのように異なるか？

主な発見

• スピン-軌道結合を無視した場合、Ba₃SbNおよびBa₃BiNはそれぞれ1.35 eVおよび1.33 eVの直接帯ギャップ半導体である。
• スピン-軌道結合を含めると、Ba₃BiNの帯ギャップは顕著に減少し、ビスマス含有化合物における強いスピン-軌道効果を示している。
• 両材料とも高い吸収係数を示しており、GaAsを上回り、シリコンに近い値に達しており、強力な光吸収能力を示している。
• 静的屈折率はBa₃SbNで約2.8、Ba₃BiNで3.26と計算され、強い光学的応答を示している。
• 両化合物とも高いSeebeck係数および高いパワーファクターを示しており、熱電応用への強い可能性を示している。
• これらの結果から、Ba₃SbNおよびBa₃BiNは、光学的・電気的および輸送特性の両方を備えているため、高効率太陽電池および熱電デバイスの有望な候補であると考えられる。