[논문 리뷰] Nanograined half-Heusler semiconductors as advanced thermoelectrics: an ab-initio high-throughput statistical study

Jesús Carrete, Natalio Mingo외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 25.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 58인용 수 146

한 줄 요약

이 연구는 열역학적으로 안정한 75종의 나노구조 반헬스러 반도체를 아보-시초 고속 걸러내기로 수행하여 고성능 열전재료를 규명한다. 처음부터 계산한 계산과 일정한 평균 자유로운 길이 근사법을 사용하여 고온에서 ZT > 2를 갖는 화합물을 식별하고, 큰 격자 상수와 넓은 금역 또는 무거운 정공 효과 질량이 높은 ZT를 가능하게 한다는 것을 밝혀내며, 재료 선택을 위한 예측 가능한 기계학습 규칙을 제시한다.

ABSTRACT

Nanostructuring has spurred a revival in the field of direct thermoelectric energy conversion. Nanograined materials can now be synthesized with higher figures of merit (ZT) than the bulk counterparts. This leads to increased conversion efficiencies. Despite considerable effort in optimizing the known and discovering the unknown, technology still relies upon a few limited solutions. Here we perform ab-initio modeling of ZT for 75 nanograined compounds obtained by filtering down the 79,057 half-Heusler entries available in the AFLOWLIB.org repository according to electronic and thermodynamic criteria. For many of the compounds the $ZT$s are markedly above those attainable with nanograined IV and III-V semiconductors. About 15% of them may even outperform ZT~2 at high temperatures. Our analysis elucidates the origin of the advantageous thermoelectric properties found within this broad material class. We use machine learning techniques to unveil simple rules determining if a nanograined half-Heusler compound is likely to be a good thermoelectric given its chemical composition.

연구 동기 및 목표

• 나노구조 영역에서 고열전성능 반헬스러 화합물을 규명하기 위해.
• 실험적 걸러내기의 한계를 극복하기 위해 ZT를 처음부터 계산하고 고속 예측할 수 있도록 하기 위해.
• 화학 조성과 전자 구조에 기반한 나노구조 반헬스러의 예측 가능한 설계 원칙을 수립하기 위해.
• 밴드 갭, 효과 질량, 격자 상수와 같은 재료 특성이 나노구조 한계에서 ZT를 최대화하는 방식을 규명하기 위해.
• 나노구조 한계 모델의 적용 가능성을 검증하기 위해 실질적인 입자 크기를 추정하고 부품 열전도도와 비교하기 위해.

제안 방법

• AFLOWLIB에서 확보한 79,057종의 반헬스러 화합물에 대해 VASP를 사용한 아보-시초 계산을 수행하고, PAW 허위퍼텐셜과 PBE 교환-상관 기능을 적용한다.
• 필터링 조건을 적용: 음성 형성 엔탈피, 기계적 안정성(실제 음향 분포), 삼원계 상도를 통한 열역학적 안정성.
• 일정한 평균 자유로운 길이(λ) 근사법을 사용하여 전자 및 진동 운반 계수를 계산하고, ZT를 λ에 의존하지 않는 형태로 단순화한다.
• 간소화된 운반 방정식을 사용하여 ZT를 계산: σ ∝ λ, S는 독립, κℓ ∝ λ, κe ∝ λ이며, 브라류아인 존에 대한 M(FD)n 및 M(BE)n 적분을 사용한다.
• 전자 운반을 위해 BOLTZTRAP을 사용하고, 맞춤형 일정한-λ 가정과 80×80×80 k-점 격자를 적용한다.
• 기계학습을 통해 재귀적 분할을 이용하여 원소 조성 기반으로 고 ZT를 위한 조건부 확률을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노구조 반헬스러 반도체 중 고온에서 ZT > 2를 보이는 물질은 무엇이며, 기존의 IV 및 III-V 반도체와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ2 나노구조 반헬스러에서 ZT 향상을 이끄는 주요 전자 및 격자 운반 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 격자 상수와 밴드 갭 또는 정공 효과 질량이 나노구조 한계에서 ZT에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 간단한 원소 조성 규칙이 나노구조 반헬스러에서 고 ZT를 높은 정확도로 예측할 수 있는가?
• RQ5 나노구조 한계 모델이 유효한 것으로 추정되는 입자 크기 범위는 무엇이며, 실험적으로 실현 가능한가와 비교해보면 어떻게 되는가?

주요 결과

• 75종의 안정한 나노구조 반헬스러 반도체 중 15%가 고온에서 ZT > 2를 예측한다. 이는 부품 IV 및 III-V 반도체보다 뚜렷하게 뛰어나다.
• 고온에서 최상의 다섯 화합물은 BiBaK, RhSnTa, AuAlHf, CoBiZr, CoAsHf이며, 모두 1000 K에서 ZT > 2를 기록한다.
• 많은 화합물에서 실온 ZT 값이 0.5를 초과하며, BiBaK, SbNaSr, AuAlHf, CoBiZr, RhSnTa 등이 상위 다섯 개에 속한다.
• 고 ZT는 주로 높은 파워 팩터와 입자 경계 산란에 의한 감소된 격자 열전도도에 의해 주로 이끌린다.
• 고 ZT를 가능하게 하는 핵심 구조적 요소는 큰 격자 상수와 함께 넓은 밴드 갭(고온) 또는 큰 정공 효과 질량(실온)이다.
• 재귀적 분할 알고리즘이 원소 조성 규칙을 도출하여 높은 예측 능력을 확보한다: 예를 들어 Na, Al, Si, Ti, Sn 또는 Co의 존재는 실온 및 고온에서 고 ZT의 가능성 증가에 기여한다.