[論文レビュー] Benefits of Carrier Pocket Anisotropy to Thermoelectric Performance: The case of $p$-type AgBiSe$_2$

David Parker, Andrew F. May+1 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2015

Advanced Thermoelectric Materials and Devices被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、p型AgBiSe2が価電子帯に顕著な一次元的でプレート状のキャリアポケット異方性を示し、状態密度効果的質量と伝導度効果的質量を分離することで、熱電特性が向上することを示している。第一原理およびボルツマン輸送計算により、300 KでZTが0.4–0.7であると予測されており、p型ドーピングの課題があるものの、室温用熱電材料としての強力な可能性を示している。

ABSTRACT

We study theoretically the effects of anisotropy on the thermoelectric performance of $p$-type AgBiSe$_2$. We present an apparent realization of the thermoelectric benefits of one-dimensional "plate-like" carrier pocket anisotropy in the valence band of this material. Based on first principles calculations we find a substantial anisotropy in the electronic structure, likely favorable for thermoelectric performance, in the valence bands of the hexagonal phase of the silver chalcogenide thermoelectric AgBiSe$_2$, while the conduction bands are more isotropic, and in our experiments do not attain high performance. AgBiSe$_2$ has already exhibited a $ZT$ value of 1.5 in a high-temperature disordered fcc phase, but room-temperature performance has not been demonstrated. We develop a theory for the ability of anisotropy to decouple the density-of-states and conductivity effective masses, pointing out the influence of this effect in the high performance thermoelectrics Bi$_2$Te$_3$ and PbTe. From our first principles and Boltzmann transport calculations we estimate the performance of $p$-type AgBiSe$_{2}$.

研究の動機と目的

• p型AgBiSe2における異方的キャリアポケットの熱電的利点を調査すること。
• 一次元的でプレート状の価電子帯異方性が、効果的質量の分離を通じてZTを向上させられるかどうかを特定すること。
• ドーピングの困難さにもかかわらず、室温で高い熱電性能を達成できるかの妥当性を評価すること。
• Bi2Te3 や PbTe といった高性能熱電材料と比較して、AgBiSe2における電子的異方性を評価すること。
• 高ドーピングにおける移動度劣化を考慮した電子的最適化下でのp型AgBiSe2のZTの上限を推定すること。

提案手法

• AgBiSe2の価電子帯分散をマップし、異方性を特定するための第一原理電子構造計算。
• 異方的効果的質量テンソルを用いたボルツマン輸送理論により、電気伝導度およびセーベック係数を計算。
• 定常散乱時間近似（CSTA）を用いて輸送特性をモデル化し、質量異方性があるにもかかわらずセーベック係数の等方的性を示す。
• Wiedemann-Franz則を用いてZTを推定し、n型AgBiSe2の実験データと比較してp型性能を推定。
• 移動度スケーリング則（μ ∝ p^−0.6）を適用して、高ドーピングにおけるキャリア移動度の低下を補正。
• AgBiSe2ナノプレートなどの関連系からの実験データに基づき、ナノ構造化または合金化による格子熱伝導率の低減を理論的モデリング。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 p型AgBiSe2に一次元的でプレート状のキャリアポケット異方性が存在する場合、効果的質量の分離を通じて熱電特性が向上するか？
• RQ2 Bi2Te3 や PbTe と比較して、AgBiSe2の価電子帯における異方性はどの程度か？
• RQ3 電子的最適化下で、p型AgBiSe2の室温における予測ZTはどの程度で、Bi2Te3と比較してどうか？
• RQ4 高ドーピングがキャリア移動度をどの程度低下させ、最終的なZT推定値にどのように影響するか？
• RQ5 ナノ構造化または合金化によってAgBiSe2の格子熱伝導率を低減できるか？その影響はZTにどのようなものか？

主な発見

• p型AgBiSe2の価電子帯は、異なる結晶方位に沿って顕著に異なる効果的質量を示す一次元的でプレート状の異方性を示している。
• この異方性にもかかわらず、定常散乱時間近似下では、輸送方程式における効果的質量依存性のキャンセレーションにより、セーベック係数は等方的である。
• 第一原理およびボルツマン輸送計算により、完全な電子的最適化を仮定した場合、p型AgBiSe2の300 KにおけるZTは0.4–0.7と予測されている。
• 推定されたZTは、300 Kにおける最適ドーピングBi2Te3のZTのおよそ80％に相当し、室温応用における強力な可能性を示している。
• この性能推定は保守的であり、ナノ構造化や合金化による格子熱伝導率の低減は考慮されていないが、これによりZTはさらなる向上が期待できる。
• 本研究では、p型ドーピングの課題があるものの、有益な異方的電子構造を有するため、AgBiSe2は室温用熱電材料として有望であると示唆している。