[論文レビュー] Rhodium based half-Heusler alloys as possible optoelectronic and thermoelectric materials

Dhurba Raj Jaishi, Sujit Bati+4 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2021

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論およびボルツマン輸送計算を用いて、ルーハイド系半ヘスラー合金（RhTiP、RhTiAs、RhTiSb、RhTiBi）の構造的安定性、半導体的性質（間接ギャップが0.94–1.01 eV）、紫外可視領域における強い光吸収、および優れた熱電性能を明らかにした。p型ドーピング下でのRhTiBiの最高ZT値は約1.0であり、検討された材料の中で熱電応用に最も有望な候補であることが示された。

ABSTRACT

On the basis of density functional theory and semi-classical Boltzmann theory, we have investigated the structural, elastic, electronic, optical and thermoelectric properties of 18--valence electron count rhodium based half-Heusler alloys focusing on RhTiP, RhTiAs, RhTiSb, and RhTiBi. The absence of imaginary frequencies in the phonon dispersion curve for these system verifies that they are structurally stable. RhTiP is ductile in nature, while others are brittle. The alloys are found to be semiconducting with indirect band gaps ranging from 0.94 to 1.01 eV. Our calculations suggest these materials to have high absorption coefficient and optical conductivity in the ultraviolet as well as visible region. While considering thermoelectricity, we found that $p$--type doping is more favorable in improving the thermoelectric properties. The calculated values of power factor with $p$-type doping are comparable to some of the reported half-Heusler materials. The optimum figure of merit \\zt\\ is $\\sim1$ for RhTiBi suggesting it as a promising candidate for thermoelectric applications while RhTiP, RhTiAs, and RhTiSb with optimum \\zt \\ values between 0.38 to 0.67 are possible candidates for use in thermoelectric devices.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、RhTiZ（Z = P, As, Sb, Bi）半ヘスラー合金の構造的、電子的、光学的、熱電的性質を評価すること。
• ルーハイド系半ヘスラー化合物の中から、オプトエレクトロニクスおよび熱電応用に有望な候補を特定すること。
• 特に高温域における、p型およびn型ドーピングがパワー・ファクターおよびZT値に与える影響を評価すること。
• 格子熱伝導率およびキャリア濃度が熱電効率の最適化に果たす役割を特定すること。
• これらの材料が、従来の熱電材料に代わる低コストで非毒性な代替材料としての可能性を検討すること。

提案手法

• 構造的安定性の評価のため、電子構造、バンドギャップ、フォノン分散を計算するために、PBE汎関数を用いた密度汎関数理論（DFT）が用いられた。
• 動的安定性の確認のため、フォノン分散計算が実施され、虚数周波数が存在しないことで安定性が裏付けられた。
• Pughの比を用いた弾性特性の分析により、延性または破壊性の分類が行われた。
• 誘電関数から得られる光学的性質（吸収係数、光学的伝導度）が計算された。
• 半古典的ボルツマン輸送理論を用いて、電気伝導度、セーベック係数、パワー・ファクター、熱伝導度が計算された。
• ZT値は、ZT = (σα²T)/κ の式を用いて計算され、κ は格子（κₗ）および電子的（κₑ）寄与に分割され、さまざまなドーピングレベルで最適化された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RhTiP、RhTiAs、RhTiSb、RhTiBiは、動的安定性および構造的強度を有しているか？
• RQ2 これらの材料は、オプトエレクトロニクスおよび熱電応用に好適な電子的バンド構造を有しているか？
• RQ3 パワー・ファクターおよびZTを最大化するための最適なドーピングタイプ（p型またはn型）および濃度は何か？
• RQ4 この系列における格子熱伝導率はどのように変化し、ZT性能にどのような影響を与えるか？
• RQ5 これらのRhベース半ヘスラー化合物は、最新の熱電材料に代わる実用的で非毒性かつ低コストな代替材料として実現可能か？

主な発見

• すべてのRhTiZ化合物は動的安定性を示しており、虚数周波数が存在しないため、構造的安定性が確認された。
• Pughの比の分析から、RhTiPは延性であるのに対し、RhTiAs、RhTiSb、RhTiBiは破壊性であることが判明した。
• これらの材料は間接バンドギャップを有する半導体であり、ギャップ幅はRhTiPで0.94 eV、RhTiBiで1.01 eVの範囲に分布している。
• 紫外および可視領域における高い吸収係数および光学的伝導度は、オプトエレクトロニクス応用への強い可能性を示している。
• p型ドーピングはn型ドーピングよりも顕著に高いパワー・ファクターを示し、最適ドーピング濃度は単位セルあたり0.27–0.30ホールの範囲であった。
• p型ドーピングにおけるRhTiBiの最高ZT値は1200 Kで0.98に達し、他のp型ドーピング系でもZT値は0.44–0.67の範囲にあり、優れた熱電性能が示された。