[논문 리뷰] Electronic Structure and Thermoelectric Properties of Half-Heusler Alloys NiTZ

Dhurba Raj Jaishi, Nileema Sharma외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 24.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 64인용 수 54

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론과 볼츠만 운반 이론 계산을 이용하여 18가지 외부 전자 수를 가진 반하이스러어 합금 NiTZ (T = Sc, Ti; Z = P, As, Sn, Sb)의 전자적 및 열전성질을 조사한다. 이 합금들은 간접 금역을 나타내며 중간 수준의 ZT 값을 보이며, NiScP는 1200 K에서 ZT 값이 0.46에 이를 것으로 예측되어 최적의 도핑을 통해 열전 응용에 가능성을 보여준다.

ABSTRACT

We have investigated the electronic and thermoelectric properties of half-Heusler alloys NiTZ (T = Sc, and Ti; Z = P, As, Sn, and Sb) having 18 valence electron. Calculations are performed by means of density functional theory and Boltzmann transport equation with constant relaxation time approximation, validated by NiTiSn. The chosen half-Heuslers are found to be an indirect band gap semiconductor, and the lattice thermal conductivity is comparable with the state-of-the-art thermoelectric materials. The estimated power factor for NiScP, NiScAs, and NiScSb reveals that their thermoelectric performance can be enhanced by appropriate doping rate. The value of ZT found for NiScP, NiScAs, and NiScSb are 0.46, 0.35, and 0.29, respectively at 1200 K.

연구 동기 및 목표

• 18가지 외부 전자 수를 가진 Ni 기반 반하이스러어 합금의 전자적 및 열전성질을 탐색하기 위해.
• 에너지 변환 장치에 응용 가능한 열전성능을 평가하기 위해 NiTZ (T = Sc, Ti; Z = P, As, Sn, Sb)의 성능을 평가하기 위해.
• 계산 방법의 타당성을 검증하기 위해 실험적으로 알려진 NiTiSn을 기준으로 삼기 위해.
• 적절한 도핑과 캐리어 농도 조절을 통해 전력 인자와 ZT 향상 가능성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 전자 구조 계산을 위해 WIEN2k 내부의 전면 임펄스 선형화된 평면파( FP-LAPW) 방법을 사용하였다.
• 일반화된 기울기 근사(GGA)와 PBE 기능 및 mBJ 포텐셜을 사용하여 금역 정확도를 향상시켰다.
• 고정된 비산시간 근사법을 사용한 반고전적 볼츠만 운반 이론 방정식을 기반으로, BoltTraP 코드를 이용해 운반 성질을 계산하였다.
• Quantum Espresso 내부의 thermal2를 사용하여 단일 모드 비산시간 근사법을 적용한 선형화된 볼츠만 운반 이론을 통해 격자 열전도도를 계산하였다.
• NiTiSn의 실험 데이터와의 비교를 통해 결과를 검증하였으며, 동적 안정성을 확인하기 위해 진동 분포 계산을 수행하였다.
• 전자 성질 계산에는 10×10×10, 운반 성질 계산에는 50×50×50의 k-메쉬를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 18가지 외부 전자 수를 가진 NiTZ 반하이스러어 합금이 열전 응용에 적합한 전자 밴드 구조를 가지는가?
• RQ2 고온에서 NiScP, NiScAs, NiScSb의 예측된 열전성능(ZT 및 전력 인자)은 어떠한가?
• RQ3 이 합금들의 격자 열전도도는 최신 열전재료와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 Z-위치에서 적절한 도핑이 이들 물질의 전력 인자와 전체 ZT 향상에 기여할 수 있는가?
• RQ5 진동 분포 계산을 통해 이들 합금이 동적으로 안정한가?

주요 결과

• 모든 연구된 NiTZ 합금(NiScP, NiScAs, NiScSb, NiTiSn)은 간접 금역을 나타내며, 조성에 따라 0.28 eV에서 0.62 eV 사이의 값을 가진다.
• 진동 분포 계산 결과, 전체 브릴루아 존 내에서 복소수 주파수(허수 주파수)가 존재하지 않아 동적 안정성이 확인되었다.
• NiScP, NiScAs, NiScSb의 전력 인자는 최적의 도핑을 통해 향상될 수 있을 것으로 예측되어 전자 운반 성질의 조절 가능성이 확인되었다.
• NiScP는 1200 K에서 ZT 값이 0.46에 도달하였으며, 이는 NiScAs의 0.35, NiScSb의 0.29보다 높아 중간 수준의 열전성능을 나타낸다.
• 격자 열전도도는 최신 열전재료와 유사하여 효율적인 에너지 변환 잠재력을 지닌다.
• 전자 구조는 페르미 수준 근처에서 Ni와 Sc의 3d 오비탈에 의해 지배되며, Z-위치 원자의 기여는 최소한으로, 복합된 혼성 궤도가 밴드의 안정성을 높인다.