[논문 리뷰] Benefits of Carrier Pocket Anisotropy to Thermoelectric Performance: The case of $p$-type AgBiSe$_2$

David Parker, Andrew F. May외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 13.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 p형 AgBiSe2에서 발화대역의 강한 일차원적, 판형의 전하 캐리어 풍선 이방성으로 인해 밀도 상태와 도전성 효과 질량이 분리되어 열전 성능이 향상됨을 보여준다. 제1원리 및 볼츠만 운반 이론 계산을 통해 300 K에서 ZT가 0.4–0.7로 예측되며, p형 도핑의 과제가 있음에도 불구하고 실온 열전 소자에 큰 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

We study theoretically the effects of anisotropy on the thermoelectric performance of $p$-type AgBiSe$_2$. We present an apparent realization of the thermoelectric benefits of one-dimensional "plate-like" carrier pocket anisotropy in the valence band of this material. Based on first principles calculations we find a substantial anisotropy in the electronic structure, likely favorable for thermoelectric performance, in the valence bands of the hexagonal phase of the silver chalcogenide thermoelectric AgBiSe$_2$, while the conduction bands are more isotropic, and in our experiments do not attain high performance. AgBiSe$_2$ has already exhibited a $ZT$ value of 1.5 in a high-temperature disordered fcc phase, but room-temperature performance has not been demonstrated. We develop a theory for the ability of anisotropy to decouple the density-of-states and conductivity effective masses, pointing out the influence of this effect in the high performance thermoelectrics Bi$_2$Te$_3$ and PbTe. From our first principles and Boltzmann transport calculations we estimate the performance of $p$-type AgBiSe$_{2}$.

연구 동기 및 목표

• p형 AgBiSe2에서 이방성 전하 캐리어 풍선의 열전 성능 향상 효과를 조사한다.
• 일차원적, 판형의 발화대역 이방성이 효과 질량을 분리시켜 ZT를 향상시킬 수 있는지 확인한다.
• 도핑 곤란에도 불구하고 AgBiSe2에서 실온에서 높은 열전 성능을 달성할 수 있는지 타당성을 평가한다.
• Bi2Te3와 PbTe와 같은 고성능 열전체와의 전자 이방성 비교를 수행한다.
• 고도의 전자 최적화를 고려할 때 p형 AgBiSe2의 ZT 상한을 추정하며, 고도의 도핑에서 이동도 저하를 반영한다.

제안 방법

• AgBiSe2의 발화대역 분산를 맵핑하고 이방성을 규명하기 위해 제1원리 전자 구조 계산을 수행한다.
• 이sovotropic 효과 질량 텐서를 사용한 볼츠만 운반 이론을 적용하여 전기 전도도와 세벡 계수를 계산한다.
• 고정 산란 시간 근사법(CSTA)을 사용하여 운반 성질을 모델링하고, 질량 이방성에도 불구하고 세벡 계수가 이방성이 없음을 입증한다.
• 위데만-프랑츠 법칙을 사용하여 ZT를 추정하고, n형 AgBiSe2의 실험 데이터와 비교하여 p형 성능을 유추한다.
• 이동도 스케일링 법칙(μ ∝ p^−0.6)을 적용하여 고도의 도핑에서 감소하는 캐리어 이동도를 반영한다.
• AgBiSe2 나노판과 유사한 시스템의 실험 데이터를 바탕으로 나노구조화 또는 합금화에 의한 격자 열전도도 감소를 이론적으로 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 p형 AgBiSe2에서 일차원적, 판형의 전하 캐리어 풍선 이방성이 효과 질량을 분리시켜 열전 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 Bi2Te3와 PbTe와 비교해 AgBiSe2의 발화대역 이방성은 어떻게 다른가?
• RQ3 전자 최적화 조건에서 p형 AgBiSe2의 실온 ZT는 예측되며, Bi2Te3와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 고도의 도핑이 캐리어 이동도를 얼마나 감소시키며, 이는 최종 ZT 추정치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 AgBiSe2에서 나노구조화 또는 합금화를 통해 격자 열전도도를 감소시킬 수 있으며, 이는 ZT에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• p형 AgBiSe2의 발화대역은 강한 일차원적, 판형 이방성을 보이며, 서로 다른 결정 방향에서 효과 질량이 크게 다르다.
• 이러한 이방성에도 불구하고, 고정 산란 시간 근사법 하에서 운반 방정식의 효과 질량 의존성 상쇄로 인해 세벡 계수는 이방성이 없다.
• 제1원리 및 볼츠만 운반 이론 계산을 통해 전자 최적화 조건에서 p형 AgBiSe2의 300 K에서 ZT가 0.4–0.7로 예측된다.
• 추정된 ZT는 최적 도핑된 Bi2Te3의 ZT 약 80% 수준이며, 실온 응용에 큰 잠재력을 지닌다.
• 이 성능 추정치는 보수적이며, 나노구조화 또는 합금화에 의한 격자 열전도도 감소를 고려하지 않았기 때문에, 향후 ZT 향상 가능성이 있다.
• 이 연구는 p형 도핑 곤란에도 불구하고 유리한 이방성 전자 구조 덕분에 AgBiSe2가 실온 열전 소자에 유망한 후보임을 시사한다.