[논문 리뷰] Ultra-low lattice thermal conductivity in Cs2BiAgX6 (X=Cl, Br): Potential thermoelectric materials

Enamul Haque, Munir Hossain|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 11.

Perovskite Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 제1원리 계산을 통해 이중퍼보스카이트 할라이드인 Cs2BiAgX6 (X=Cl, Br)가 열전재료로서 유망한 잠재력을 지닌다는 것을 조사한다. 초저온 열전도도를 입증하였으며, Cl의 경우 300 K에서 0.078 Wm⁻¹K⁻¹, Br의 경우 0.065 Wm⁻¹K⁻¹를 기록하였고, 이는 낮은 포논 군속도와 강한 산란으로 인해 발생한다. 이로 인해 각각 700 K에서 ZT 값이 0.775와 0.774로 매우 높아져 열전 성능이 뛰어나다.

ABSTRACT

We have explored electronic and thermoelectric properties of bismuth-based double-perovskite halides Cs2BiAgX6 by using first principles calculations. The calculated indirect bandgaps 2.85 eV and 1.99 eV for Cs2BiAgCl6 and Cs2BiAgBr6, respectively well agree with the measured value (2.77 eV of Cs2BiAgCl6 and 2.19 eV of Cs2BiAgBr6). We have calculated the relaxation time and lattice thermal conductivity by using relaxation time approximation (RTA) within supercell approach. The lattice thermal conductivities for both compounds are remarkably low and the obtained values at 300K for Cs2BiAgCl6 and Cs2BiAgBr6 are 0.078 and 0.065 Wm-1K-1, respectively. Such quite low lattice thermal conductivity arises due to low phonon group velocity in the large weighted phase space and large phonon scattering. The large Seebeck coefficient obtained for both halides at 400K. We have obtained the maximum power factors at 700K and the corresponding thermoelectric figure of merit for Cs2BiAgCl6 and Cs2BiAgBr6 are 0.775 and 0.774, respectively. The calculated results reveal that both halides are potential thermoelectric materials.

연구 동기 및 목표

• 비스무트 기반 이중퍼보스카이트 할라이드인 Cs2BiAgX6 (X=Cl, Br)의 열전 잠재력을 평가하기 위해.
• 이 물질들에서 관찰된 초저온 열전도도의 기원을 이해하기 위해.
• 관련 온도 범위에서 전력 인자와 열전도도 계수(ZT)의 열전 성능을 예측하기 위해.
• 열전도 성질과 관련된 전자 밴드 구조와 포논 산란 메커니즘 간의 상관관계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 전자 구조 및 금역 간격 계산을 위해 밀도함수이론(DFT)을 활용하였다.
• 초세포 방법을 기반으로 한 이완시간근사(RTA)를 적용하여 격자 열전도도를 계산하였다.
• 포논 군속도와 산란률을 계산하여 저열전도도의 기원을 설명하였다.
• 전자 밴드 구조에서 Seebeck 계수와 전력 인자를 계산하기 위해 BoltzTraP 코드를 사용하였다.
• ZT = (S²σT)/κ 공식을 사용하여 열전도도 계수(ZT)를 평가하였으며, 여기서 κ는 격자 및 전자 기여를 포함한다.
• 계산 모델의 정확성을 확보하기 위해 밴드 간격 예측값을 실험 측정치와 대조하여 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cs2BiAgCl6와 Cs2BiAgBr6의 실온 및 고온에서의 격자 열전도도는 어떻게 되는가?
• RQ2 이 물질들에서 관측된 초저온 격자 열전도도를 유도하는 원자 척도적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 고온에서 Cs2BiAgX6 화합물의 예측된 열전 전력 인자와 열전도도 계수(ZT)는 무엇인가?
• RQ4 Cs2BiAgX6 화합물의 전자 밴드 구조는 그들의 열전 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 포논 산란과 군속도 억제가 열전도도 감소에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• Cs2BiAgCl6(2.85 eV)와 Cs2BiAgBr6(1.99 eV)의 계산된 간섭대 간격은 실험값(2.77 eV 및 2.19 eV)과 뛰어난 일치를 보였다.
• 300 K에서 Cs2BiAgCl6의 격자 열전도도는 0.078 Wm⁻¹K⁻¹, Cs2BiAgBr6는 0.065 Wm⁻¹K⁻¹로 나타나 포논 전도도가 매우 낮음을 시사한다.
• 초저온 열전도도의 근본 원인은 넓은 위상공간에서 낮은 포논 군속도와 큰 포논 산란이다.
• 400 K에서 Seebeck 계수는 여전히 크며, 강력한 열전력 생성 능력을 보여준다.
• 최대 전력 인자는 700 K에서 도달하며, 이에 따라 Cs2BiAgCl6의 ZT 값은 0.775, Cs2BiAgBr6의 ZT 값은 0.774를 기록하였다.
• 이 결과들은 Cs2BiAgX6 화합물이 고성능 열전재료로서 매우 유망한 후보임을 확인한다.