[論文レビュー] Ultra-low lattice thermal conductivity in Cs2BiAgX6 (X=Cl, Br): Potential thermoelectric materials

Enamul Haque, Munir Hossain|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2018

Perovskite Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、Cs2BiAgX6 (X=Cl, Br) 鉛鹵化物系二ペロブスカイトが有望な熱電材料であることを調査した。低フォノン群速度と強い散乱のおかげで、室温（300 K）における格子熱伝導率はClで0.078 Wm⁻¹K⁻¹、Brで0.065 Wm⁻¹K⁻¹と極めて低く、それぞれ700 Kで0.775および0.774の高い熱電効率（ZT）を達成した。

ABSTRACT

We have explored electronic and thermoelectric properties of bismuth-based double-perovskite halides Cs2BiAgX6 by using first principles calculations. The calculated indirect bandgaps 2.85 eV and 1.99 eV for Cs2BiAgCl6 and Cs2BiAgBr6, respectively well agree with the measured value (2.77 eV of Cs2BiAgCl6 and 2.19 eV of Cs2BiAgBr6). We have calculated the relaxation time and lattice thermal conductivity by using relaxation time approximation (RTA) within supercell approach. The lattice thermal conductivities for both compounds are remarkably low and the obtained values at 300K for Cs2BiAgCl6 and Cs2BiAgBr6 are 0.078 and 0.065 Wm-1K-1, respectively. Such quite low lattice thermal conductivity arises due to low phonon group velocity in the large weighted phase space and large phonon scattering. The large Seebeck coefficient obtained for both halides at 400K. We have obtained the maximum power factors at 700K and the corresponding thermoelectric figure of merit for Cs2BiAgCl6 and Cs2BiAgBr6 are 0.775 and 0.774, respectively. The calculated results reveal that both halides are potential thermoelectric materials.

研究の動機と目的

• ビスマスを含む二ペロブスカイトハライド系Cs2BiAgX6 (X=Cl, Br) の熱電性能を評価すること。
• これらの材料に見られる超低格子熱伝導率の起源を理解すること。
• 関連する温度範囲における熱電性能（電力因子およびZT）を予測すること。
• 熱輸送特性と関連する電子バンド構造およびフォノン散乱メカニズムを関連付けること。

提案手法

• 電子状態およびバンドギャップの計算に密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• 超格子アプローチを用い、緩和時間近似（RTA）を適用して格子熱伝導率を計算した。
• フォノン群速度および散乱率を計算し、低熱伝導率の理由を説明した。
• BoltzTraPコードを用いて、電子バンド構造からゼーベック係数および電力因子を計算した。
• ZT = (S²σT)/κ の式を用いて熱電効率（ZT）を評価した。ここでκは格子および電子寄与を含む。
• 計算モデルの正確性を保証するため、バンドギャップの予測値を実験測定値と照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温および高温におけるCs2BiAgCl6およびCs2BiAgBr6の格子熱伝導率はどの程度か？
• RQ2 これらの材料に観察された超低格子熱伝導率を引き起こす原子スケールのメカニズムは何か？
• RQ3 高温におけるCs2BiAgX6化合物の予測された熱電電力因子およびZT値は何か？
• RQ4 Cs2BiAgX6化合物の電子バンド構造は、その熱電性能にどのように影響を与えるか？
• RQ5 フォノン散乱および群速度抑制は、熱伝導率低減にどの程度寄与しているか？

主な発見

• 計算された間接バンドギャップは、Cs2BiAgCl6で2.85 eV、Cs2BiAgBr6で1.99 eVであり、実験値（2.77 eVおよび2.19 eV）と良好に一致した。
• 300 Kにおける格子熱伝導率は、Cs2BiAgCl6で0.078 Wm⁻¹K⁻¹、Cs2BiAgBr6で0.065 Wm⁻¹K⁻¹に達し、フォノン輸送が極めて低いことが示された。
• 超低熱伝導率は、低フォノン群速度と広い相空間における大きなフォノン散乱に起因している。
• 400 Kでもゼーベック係数が大きく保たれ、強力な熱電力生成が可能であることが示された。
• 最大の電力因子は700 Kで達成され、それに応じたZT値はCs2BiAgCl6で0.775、Cs2BiAgBr6で0.774であった。
• これらの結果から、Cs2BiAgX6両方の化合物が高性能熱電材料として有望であることが確認された。