[논문 리뷰] Rhodium based half-Heusler alloys as possible optoelectronic and thermoelectric materials

Dhurba Raj Jaishi, Sujit Bati외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 05.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론과 볼츠만 운반 이론 계산을 이용하여 루테늄 기반 반-휴스러 합금(RhTiP, RhTiAs, RhTiSb, RhTiBi)의 구조적 안정성, 반도체 성질(간접 띠역이 0.94–1.01 eV), 자외선–가시광선 범위에서의 강한 광학적 흡수 및 높은 열전 성능을 규명하였다. p형 도핑 조건에서 RhTiBi의 최고 ZT 값은 약 1.0으로, 연구된 재료들 중에서 열전 응용 분야에서 최고의 후보로 부상하였다.

ABSTRACT

On the basis of density functional theory and semi-classical Boltzmann theory, we have investigated the structural, elastic, electronic, optical and thermoelectric properties of 18--valence electron count rhodium based half-Heusler alloys focusing on RhTiP, RhTiAs, RhTiSb, and RhTiBi. The absence of imaginary frequencies in the phonon dispersion curve for these system verifies that they are structurally stable. RhTiP is ductile in nature, while others are brittle. The alloys are found to be semiconducting with indirect band gaps ranging from 0.94 to 1.01 eV. Our calculations suggest these materials to have high absorption coefficient and optical conductivity in the ultraviolet as well as visible region. While considering thermoelectricity, we found that $p$--type doping is more favorable in improving the thermoelectric properties. The calculated values of power factor with $p$-type doping are comparable to some of the reported half-Heusler materials. The optimum figure of merit \\zt\\ is $\\sim1$ for RhTiBi suggesting it as a promising candidate for thermoelectric applications while RhTiP, RhTiAs, and RhTiSb with optimum \\zt \\ values between 0.38 to 0.67 are possible candidates for use in thermoelectric devices.

연구 동기 및 목표

• 첫 번째 원칙 계산을 통해 RhTiZ (Z = P, As, Sb, Bi) 반-휴스러 합금의 구조적, 전자적, 광학적 및 열전 성질을 평가하기 위해.
• 루테늄 기반 반-휴스러 화합물 중에서 옵티오일렉트로닉 및 열전 응용에 유망한 후보를 규명하기 위해.
• 특히 고온에서의 전력 인자 및 ZT 값에 영향을 미치는 p형 및 n형 도핑의 영향을 평가하기 위해.
• 열전 효율 최적화에 있어 격자 열전도도 및 운반자 농도의 역할을 규명하기 위해.
• 기존의 열전 재료에 비해 저비용이며 비독성인 대체재로서의 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 구조적 안정성을 위해 전자 구조, 띠역 및 격자 진동 분포를 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT)과 PBE 함수를 사용하였다.
• 동적 안정성을 확인하기 위해 격자 진동 분포 계산을 수행하였으며, 허수 주파수의 부재가 안정성을 나타내었다.
• Pugh 비율을 이용한 탄성 성질 분석을 통해 연성 또는 취성 여부를 분류하였다.
• 유전율 함수로부터 흡수 계수 및 광학 전도도와 같은 광학 성질을 계산하였다.
• 반고전적 볼츠만 운반 이론을 적용하여 전기적 전도도, 세벡 계수, 전력 인자 및 열전도도를 계산하였다.
• ZT 값은 공식 ZT = (σα²T)/κ를 사용하여 계산하였으며, κ는 격자 열전도도(κₗ)와 전자 열전도도(κₑ)로 분리되었고, 다양한 도핑 수준에서 최적화되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RhTiP, RhTiAs, RhTiSb, RhTiBi 반-휴스러 합금은 동적으로 안정하고 구조적으로 견고한가?
• RQ2 이들 재료는 옵티오일렉트로닉 및 열전 응용에 유리한 전자 띠 구조를 갖는가?
• RQ3 전력 인자 및 ZT를 최대화하기 위해 최적의 도핑 유형(p형 또는 n형)과 도핑 농도는 무엇인가?
• RQ4 이 시리즈에서 격자 열전도도는 어떻게 변화하며, ZT 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이들 Rh 기반 반-휴스러 합금은 최신 기술 수준의 열전 재료에 비해 실현 가능하고 비독성이며 저비용 대체재로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 모든 RhTiZ 화합물은 동적으로 안정하며, 허수 진동 주파수 없이 구조적 안정성을 확인하였다.
• Pugh 비율 분석에 따르면 RhTiP는 연성이며, RhTiAs, RhTiSb, RhTiBi는 취성이다.
• 이들 재료는 간접 띠역이 0.94 eV(RhTiP)에서 1.01 eV(RhTiBi) 사이인 반도체 성질을 나타낸다.
• 자외선 및 가시광선 영역에서 높은 흡수 계수와 광학 전도도는 옵티오일렉트로닉 응용 잠재력이 높음을 시사한다.
• p형 도핑은 n형 도핑보다 훨씬 높은 전력 인자를 나타내었으며, 최적의 도핑 농도는 단위 세포당 0.27–0.30개의 정공 범위였다.
• p형 RhTiBi의 최고 ZT 값은 1200 K에서 0.98을 기록하였고, 다른 p형 도핑 시스템의 ZT 값은 0.44–0.67로 나타나 강력한 열전 잠재력을 보였다.