[논문 리뷰] extit{Ab initio} study of Bi-based half Heusler alloys as potential thermoelectric prospects

Sapna Singh, Mohd Zeeshan외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 04.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 ab initio 연구는 CoTiBi, CoZrBi, CoHfBi, FeVBi, FeNbBi, 및 FeTaBi와 같은 비소 기반 반-후스러 합금이 유망한 p형 열전 재료임을 조사한다. 최초 원리 계산과 볼츠만 운반 이론을 사용하여, 저온에서의 전력 인자 값은 p형 CoTiSb보다 약 40% 높으며, 1100 K에서 ZT 값은 최대 1.53에 이를 것으로 예측된다. 특히 CoZrBi는 기존의 Sb 기반 유사체보다 열전도도가 낮아 실험적 탐색에 큰 잠재력을 지닌다.

ABSTRACT

We investigated six heavy element bismuth-based 18-VEC half-Heusler alloys CoTiBi, CoZrBi, CoHfBi, FeVBi, FeNbBi, and FeTaBi by first principles approach, in search of better thermoelectric prospects. The motivation is driven by expected lower thermal conductivity and the recent discovery of CoZrBi-based materials. Significantly, our calculated power factor values of all the systems show an increment of $\sim$40\% in comparison to the reported extit{p}-type CoTiSb. We propose that doping at Bi-site, on account of electronic features, will be helpful in achieving the proposed power factor values. Interestingly, the thermal conductivity of CoTiBi and CoZrBi was found to be lower and that of CoHfBi was almost parallel, in comparison to the reported CoTiSb. We also provide conservative estimates of the figure of merit, exceeding the reported CoTiSb and comparable to FeNbSb. Overall, our results suggest potential new candidates of bismuth-based ternary compounds for high thermoelectric performance.

연구 동기 및 목표

• 중량이 큰 Bi 원소의 낮은 열전도도를 활용하여, 향상된 열전 성능을 보이는 비소 기반 반-후스러 합금을 식별하기 위해.
• 최초 원리 방법을 사용하여 Co 및 Fe 계열의 비소 기반 hH 화합물의 전자적 및 운반 성질을 평가하기 위해.
• 전력 인자 및 열전 성능 지표(ZT) 최적화를 위한 Bi 자리의 p형 도핑 잠재력을 평가하기 위해.
• 기존의 p형 재료인 CoTiSb 및 FeNbSb와의 열전 성능을 비교하기 위해.
• 구조적, 동적, 열역학적 안정성을 분석하여 실험적 합성에 대한 이론적 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• Wien2k에서 FLAPW 방법과 Quantum Espresso에서 평면파 효과 퍼텐셜 방법을 사용한 최초 원리 밀도 함수 이론(DFT) 계산.
• 전자 구조 및 운반 계산를 위해 PBEsol 상호작용-상관관계 기능과 스칼라 상대론적 근사법을 사용.
• 전기적 전도도, 세베크 계수 및 전력 인자를 계산하기 위해 반고전적 볼츠만 운반 이론을 적용하기 위해 Boltztrap 코드를 활용.
• 운반 성질 최적화를 위해 Bi 자리의 p형 도핑을 시뮬레이션하기 위해 강체 밴드 근사법을 적용.
• 동적 안정성 평가 및 구조적 내구성 확인을 위해 평면파 효과 퍼텐셜 방법을 사용한 격자 진동 분포 계산.
• 보수적인 가정을 기반으로 열전도도 및 열전 성능 지표(ZT)를 추정하며, ZT는 ZT = S²σT / (κₑ + κₗ)로 계산함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비소 기반 반-후스러 합금은 기존의 p형 CoTiSb보다 더 높은 전력 인자를 나타낼 수 있는가?
• RQ2 비소 기반 hH 화합물은 Sb 기반 유사체에 비해 상당히 감소된 격자 열전도도를 보이는가?
• RQ3 고온에서 Co 및 Fe 계열의 비소 기반 hH 합금의 예상 열전 성능(ZT)은 어떠한가?
• RQ4 Bi 자리의 p형 도핑은 이러한 시스템에서 전력 인자에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 비소 기반 hH 화합물들은 실험적 합성에 적합할 정도로 동적 및 열역학적으로 안정한가?

주요 결과

• 모든 비소 기반 hH 시스템의 전력 인자는 보고된 p형 CoTiSb보다 약 40% 높으며, CoZrBi는 전력 인자에서 약 47% 높은 값을 보였다.
• 세베크 계수 범위는 159에서 182 μV K⁻¹이며, CoZrBi는 가성층 최대 근처의 높은 밴드 디세너시로 인해 최고의 값을 기록했다.
• 격자 열전도도가 크게 감소했다: CoTiBi(~13 W m⁻¹ K⁻¹), CoZrBi(~10 W m⁻¹ K⁻¹), CoHfBi(~15 W m⁻¹ K⁻¹), 기존의 CoTiSb(~17 W m⁻¹ K⁻¹)보다 낮았다.
• p형 CoZrBi의 최대 ZT 값은 1100 K에서 1.53에 도달했으며, 보고된 CoTiSb의 값보다 뛰어나고 FeNbSb의 값에 가까워졌다.
• FeTaBi는 1100 K에서 p형 FeNbSb와 유사한 전력 인자를 보였으며, p형 도핑 조건에서 강력한 열전 잠재력을 지닌 것으로 나타났다.
• 모든 시스템에서 격자 진동 분포를 통한 동적 안정성이 확인되었으며, CoTiBi 및 CoHfBi는 열역학적으로 안정했으나, Fe 계열 화합물은 원형 상태에서는 안정성이 의심스러웠으나 도핑 조건에서는 실현 가능했다.