[논문 리뷰] Effect of Bi-substitution on Structural Stability and Improved Thermoelectric Performance of p-type Half-Heusler TaSbRu: A First-principles Study

Enamul Haque, Mostafizur Rahman외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 28.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 65인용 수 9

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 열전 성능을 향상시키기 위해 p형 반하프헤스러 희토류 TaSbRu에 Bi를 도핑하여 격자 열전도도를 감소시키면서도 높은 파워 팩터를 유지하고자 한다. 스핀-오비트 결합, 에너지 의존성 정류 시간, 그리고 열역학적 빛의 운동 방정식을 통한 격자 진동 분석을 고려하여, 저자들은 50% Bi 도핑이 격자 열전도도를 20에서 5 W/mK로 감소시키고 1200 K에서 ZT를 1.1로 높임으로써 기존 순수한 TaSbRu 대비 2.45배 향상된 성능을 보여주었다.

ABSTRACT

Recently, Fang et al. have predicted a high ZT of 1.54 in TaSbRu alloys at 1200 K from first-principles without considering spin-orbit interaction, accurate electronic structure, details of phonon scattering, and energy-dependent holes relaxation time. Here, we report the details of structural stability and thermoelectric performance of Bi-Substituted p-type TaSbRu from first-principles calculations considering theses important parameters. This indirect bandgap semiconductor (Eg=0.8 eV by TB-mBJ+SOC) has highly dispersive and degenerate valence bands, which lead to a maximum power factor, 3.8 mWm-1K-2 at 300K. As Sb-5p has a small contribution to the bandgap formation, the substitution of Bi on the Sb site does not cause significant change to the electronic structure. Although the Seebeck coefficient increases by Bi due to slight changes in the bandgap, electrical conductivity, and hence, the power factor reduces to ~3 mW m-1K-2 at 300K (50% Bi). On the other side, lattice thermal conductivity drops effectively to 5 from 20 W/m K as Bi introduces a significant contribution in the acoustic phonon region and intensify phonon scattering. Thus, ZT value is improved through Bi-substitution, reaching 1.1 (50% Bi) at 1200 K from 0.45 (pure TaSbRu) only. Therefore, the present study suggests how to improve the TE performance of Sb-based half-Heusler compounds and TaSbRu (with 50% Bi) is a promising material for high-temperature applications.

연구 동기 및 목표

• 문헌에서 보고된 TaSbRu의 열전 성능에 대한 큰 격차를 해결하기 위해.
• p형 TaSbRu에서 Bi 도핑이 구조적 안정성과 열전 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 스핀-오비트 결합, 에너지 의존성 정류 시간, 그리고 격자 진동 산란이 정확한 열전 성능 예측에 미치는 역할를 평가하기 위해.
• 중량원소 합금화를 통한 Sb 기반 반하프헤스러 화합물에서 ZT 향상 전략을 규명하기 위해.

제안 방법

• WIEN2k 소프트웨어를 사용한 전자구조 계산에 전역 임펄스 평면파(LAPW) 방법을 적용한 첫 번째 원리 계산.
• 정확한 전자 구조 및 밴드 갭 추정을 위한 스핀-오비트 결합(SOC) 및 TB-mBJ 기능의 포함.
• 에너지 의존성 정류 시간을 사용한 실내 운반 성능 계산.
• 인터원자력 상수(IFCs)를 기반으로 한 열역학적 빛의 운동 방정식을 통한 격자 열전도도 유도.
• 다양한 Bi 농도와 온도에서의 구조적 안정성, 전자 밴드 구조, 격자 진동 분포, 열전 성능 지표(ZT)에 대한 체계적 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi 도핑은 TaSbRu의 구조적 및 전자적 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 스핀-오비트 결합과 에너지 의존성 정류 시간은 TaSbRu에서 파워 팩터 계산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 Bi 도핑은 격자 진동 산란과 격자 열전도도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 이전 이론적 연구들은 TaSbRu의 열전 성능에 대해 이렇게 큰 격차를 보였는가?
• RQ5 Bi 도핑은 고온에서 TaSbRu의 ZT를 크게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• TB-mBJ+SOC를 사용한 TaSbRu의 밴드 갭은 0.8 eV로 확인되었으며, 간접 밴드 갭 반도체로서 높은 분산성과 디제너레이트된 양공 밴드를 가짐을 확인하였다.
• Bi 도핑은 밴드 갭을 0.8에서 0.83 eV로 약간 증가시키며 전자 구조에 미미한 영향을 미친다.
• 300 K에서 50% Bi 도핑으로 전기 전도도가 감소함에도 불구하고 시이베크 계수는 증가하여 파워 팩터는 3.8에서 약 3 mWm⁻¹K⁻²로 감소한다.
• 300 K에서 비선형성 증가와 Bi의 음향 진동 기여로 인해 격자 열전도도가 20에서 5 W/mK로 감소한다.
• 1200 K에서 순수한 TaSbRu의 ZT는 0.45에서 50% Bi 도핑 시 1.1로 증가하여 기존 대비 2.45배 향상되었다.
• 에너지 독립적 정류 시간과 SOC 누락으로 인해 이전 연구에서 파워 팩터와 ZT 값이 과대평가되었음을 밝혀내어 문헌 내 모순을 해결하였다.