[논문 리뷰] Optoelectronic and thermoelectric properties of Ba3DN (D = Sb, Bi): A DFT investigation

Enamul Haque, Md. Taslimur Rahman외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 30.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties참고 문헌 25인용 수 7

한 줄 요약

이 DFT 연구는 헥세고날 앤티페로브스카이트 Ba₃DN (D = Sb, Bi)의 광전자 및 열전성질을 조사하여, 두 물질 모두 직접 밴드 갭 반도체임을 밝혀내며, 각각 1.35 eV 및 1.33 eV의 밴드 갭을 가짐을 확인하였다. 스핀-오비트 결합을 포함할 경우 Ba₃BiN의 밴드 갭이 크게 감소하며, 두 화합물 모두 높은 흡수 계수와 굴절률을 나타내어, 높은 Seebeck 계수와 전력 인자로 인해 고효율 태양전지 및 열전 응용 분야에서 강력한 잠재력을 지님을 시사한다.

ABSTRACT

We have investigated the optoelectronic and thermoelectric properties of hexagonal antiperovskites Ba$_3$DN (D = Sb, Bi) using DFT calculations. The calculated equilibrium lattice parameters of both compounds are in good agreement with the available data. The calculated electronic structures indicate that they are direct bandgap semiconductors and the values of bandgaps are 1.35 and 1.33 eV for Ba3SbN and Ba3BiN, respectively. The inclusion of the spin-orbit effect split the conduction bands and the band gap of Ba$_3$BiN is much reduced. These two compounds have a high absorption coefficient, notably higher than that for GaAs and close to that for silicon. The obtained static refractive index is ~2.8 and 3.26, for Ba$_3$SbN and Ba$_3$BiN, respectively. We predict that both materials are suitable for a high-efficiency solar cell. Both compounds exhibit a high Seebeck coefficient and high power factor. Our analysis predicts that the studied materials are potential candidates in thermoelectric device applications.

연구 동기 및 목표

• 헥세고날 앤티페로브스카이트 Ba₃SbN 및 Ba₃BiN의 광전자 및 열전성질을 평가하기 위해.
• 이들의 광발전 및 열전 장치 응용에 적합한지를 판단하기 위해.
• 스핀-오비트 결합이 전자 밴드 구조 및 밴드 갭 축소에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 두 화합물 간의 광학적 반응 및 전기적 운반자 이동성 특성을 비교하기 위해.

제안 방법

• 일반화된 기울기 근사(GGA)와 PBE 함수를 사용한 밀도역학함수이론(DFT) 계산을 수행함.
• 밴드 구조 및 밴드 갭에 미치는 영향을 평가하기 위해 스핀-오비트 결합(SOC) 효과를 포함함.
• 유전율 함수로부터 흡수 계수 및 굴절률과 같은 광학적 성질을 계산함.
• Seebeck 계수 및 전력 인수를 포함한 열전성질은 BoltzTraP 코드를 사용하여 평가함.
• 계산 모델의 타당성을 검증하기 위해 격자 상수를 최적화하고 가용한 실험 데이터와 비교함.
• 직접 밴드 갭 특성 및 운반자 효과 질량을 결정하기 위해 전자 밴드 구조 및 밀도 상태 분석을 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ba₃SbN 및 Ba₃BiN의 전자 밴드 구조와 밴드 갭은 무엇이며, 스핀-오비트 결합은 이들에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 이 물질들의 광학적 흡수 계수와 굴절률은 GaAs 및 Si와 같은 기존 반도체와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 Ba₃SbN 및 Ba₃BiN의 예측된 열전 성능은 Seebeck 계수 및 전력 인수 측면에서 어떻게 되는가?
• RQ4 그들의 광학적 및 전자적 성질을 바탕으로 이 물질들이 고효율 태양전지 응용에 적합한가?
• RQ5 Sb 대체가 Bi로 이루어질 경우, Ba₃SbN 및 Ba₃BiN의 전자 및 운반성 특성은 어떻게 다를까?

주요 결과

• 스핀-오비트 결합을 고려하지 않을 경우, Ba₃SbN 및 Ba₃BiN는 각각 1.35 eV 및 1.33 eV의 직접 밴드 갭 반도체임을 나타냄.
• 스핀-오비트 결합을 포함할 경우 Ba₃BiN의 밴드 갭이 크게 감소하며, 비스무트 기반 화합물에서 강한 스핀-오비트 효과가 존재함을 시사함.
• 두 물질 모두 높은 흡수 계수를 나타내며, GaAs를 뛰어넘고 실리콘에 가까운 값을 보이며 강력한 빛 흡수 잠재력을 지님.
• 정적 굴절률은 Ba₃SbN의 경우 약 2.8, Ba₃BiN의 경우 3.26로 계산되어 강력한 광학적 반응을 지님.
• 두 화합물 모두 높은 Seebeck 계수와 높은 전력 인수를 나타내어 열전 응용 분야에서 강력한 잠재력을 지님.
• 결과적으로 Ba₃SbN 및 Ba₃BiN는 광전자 및 운반성 특성이 결합된 특성으로 인해 고효율 태양전지 및 열전 장치에 매우 유망한 후보자로 제안됨.