[논문 리뷰] Looking for new thermoelectric materials among the TMX intermetallics using high-throughput calculations

Céline Barreteau, Jean‐Claude Crivello외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 20.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties참고 문헌 69인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 고속 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 사용하여 네 가지 결정 구조(TiNiSi, MgAgAs, BeZrSi, ZrNiAl)에 걸쳐 2,280개의 삼성분 TMX 인터메탈릭 구성을 열전 반도체로 걸러내었다. 안정적이고 비금속성인 화합물 21개를 규명하였으며, 그 중 네 가지—TaFeSb, HfTiSn, HfCoP, SrCuSb—는 전자적 성질이 보고되지 않은 새로운 후보로, 열전 응용 가능성이 있다.

ABSTRACT

Within 4 different crystal structures, 2280 ternary intermetallic configurations have been investigated via high-throughput density functional theory calculations in order to discover new semiconducting materials. The screening is restricted to intermetallics with the equimolar composition TMX, where T is a transition metal from the Ti, V, Cr columns, Sr, Ba, Y and La, M an element from the first line of transition metals and X a sp elements (Al, P, Si, Sn and Sb), i.e. to a list of 24 possible elements. Since the calculations are done combinatorically, every possible ternary composition is considered, even those not reported in the literature. All these TMX configurations are investigated in the 4 most reported structure-types: TiNiSi, MgAgAs, BeZrSi and ZrNiAl. With an excellent agreement between calculations and literature for the reported stable phases, we identify 472 possible stable compounds among which 21 are predicted as non-metallic. Among these 21 compositions, 4 could be considered as new semiconductors.

연구 동기 및 목표

• 등몰성 TMX 인터메탈릭 중에서 새로운, 안정적이고 반도체 성질을 가진 열전 재료를 발견하기 위해.
• 고속 DFT를 통해 T(티타늄, 바나듐, 크로뮴, 스트륨, 바륨, 안트레오, 레어어스 등 전이금속), M(1계 전이금속), X(sp 원소: 알루미늄, 인, 실리콘, tin, antimony)의 1:1:1 조성을 체계적으로 걸러내기 위해.
• 열전 응용에 적합한 비금속성(반도체 또는 반금속성)을 보이는 화합물을 규명하기 위해.
• 결정학적 데이터베이스에서의 실험 데이터와 예측된 안정성 및 전자 구조를 비교하여 계산 모델의 타당성을 검증하기 위해.
• 실험 합성 가능성이 있으며 열전 성능 잠재력을 지닌 새로운, 보고되지 않은 화합물을 우선순위로 정하기 위해.

제안 방법

• 2,280개의 고유한 TMX 구성이 네 가지 결정 구조(TiNiSi(Pnma), MgAgAs(F-43m, 반-헤우슬러), BeZrSi(P63/mmc), ZrNiAl(P-62m))에 걸쳐 조합적으로 고속 스캐닝된 방식을 사용하였다.
• VASP를 사용하여 GGA-PBE 함수와 프rojector Augmented Wave(PAW) 방법을 적용한 밀도 함수 이론(DFT)을 사용하여 생성 에너지와 전자 밀도 상태를 계산하였다.
• 각 조성에 대해 네 개의 원형 구조 간 생성 에너지를 비교하여 가장 안정한 구조를 결정하였다.
• 전자 구조 분석은 페르미 수준에서의 밀도 상태(DOS)를 중심으로 하여 반도체 성질(비영인 금속 갭, EF 근처 낮은 DOS)을 식별하기 위해 수행되었다.
• 안정성은 무기 결정 구조 데이터베이스(ICSD)의 실험 데이터와 교차 검증하였으며, 상도 분석을 통해 열역학적 안정성을 평가하였다.
• 반도체 성질을 예측하고 안정적이며, 보고되지 않았거나 전자적 성질이 알려지지 않은 화합물은 열전 응용을 위한 우선순위에 올렸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2,280개의 구성 중 열역학적으로 안정적이고 비금속성인 TMX 인터메탈릭은 무엇인가?
• RQ2 고속 DFT 접근법은 기존에 알려진 안정적이고 반도체 성질을 가진 TMX 화합물을 얼마나 잘 예측하는가?
• RQ3 예측된 반도체 화합물 중에서 새로운 것으로서 문헌에 보고되지 않은 것은 무엇인가?
• RQ4 18전자 규칙은 반-헤우슬러(MgAgAs 유형) 반도체 성질을 가진 TMX 인터메탈릭의 안정성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 예측된 안정성과 비금속성에 기반해 실험 합성에 가장 유망한 화합물은 무엇인가?

주요 결과

• 2,280개의 구성 중 472개의 화합물이 열역학적으로 안정하다고 예측되었으며, 그 중 21개는 비금속성(반도체 또는 반금속성)으로 확인되었다.
• 21개의 비금속성 화합물 중 16개는 MgAgAs(반-헤우슬러) 구조 유형에 결정화될 것으로 예측되었으며, 모두 18전자 규칙을 따르고 있었다.
• 21개의 비금속성 화합물 중 10개는 이미 문헌에 기록되어 있고 실험적으로 열전 재료로 유망한 것으로 보고된 바 있다.
• TaFeSb, HfTiSn, HfCoP, SrCuSb 네 개의 화합물은 전자적 성질에 대한 이전 실험 보고가 없었던 안정한 반도체로 예측되었다.
• HfCoP와 SrCuSb는 문헌에 알려진 결정 구조는 있으나 전자적 또는 운반성 물성 측정치가 없어, 향후 연구에 매우 적합한 후보로 간주된다.
• LaCuSn은 구조적 모호성과 여러 원형 구조 간 유사한 생성 에너지로 인해 금속성일 가능성이 높으며, MgAgAs 구조가 유일한 비금속성 구조이지만 가장 안정한 것은 아니었다.