[논문 리뷰] Double Half-Heusler Alloys X$_2$Ni$_2$InSb (X= Zr/Hf) with promising Thermoelectric Performance: Role of varying structural phases

Bhawna Sahni, Aftab Alam|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 02.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 테트라곤럴, 입방체 및 고용체 상을 포함한 테트라곤럴, 입방체 및 고용체 상을 포함한 X₂Ni₂InSb (X = Zr/Hf) 이중 반하스러 합금의 처음부터 계산된 계산을 통해 열전 성능을 조사한다. 그 결과, 낮은 격자 열전도도와 높은 전자 이동도 덕분에 테트라곤럴 상이 뛰어난 열전 성능을 보임을 확인하였다. Zr₂Ni₂InSb는 900 K에서 n형 도핑 시 최대 ZT 2.46를 기록하여 고효율 열전 재료로서 강력한 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

Double half-heusler alloys are the new class of compounds which can be seen as transmuted version of two single half-heusler with higher flexibility of tuning their properties. Here, we report a detailed study of thermoelectric (TE) properties of two double half-heusler (HH) alloys X$_2$Ni$_2$InSb (X=Hf/Zr), using first-principles calculation. These alloys exhibit a rich phase diagram with the possibility of tetragonal, cubic and solid solution phase at different temperature range. As such, a comparative study of TE properties of all these phases is performed. The ordered phases show quite favorable electronic transport as compared to the disordered ones in both compounds. Lattice thermal conductivity of double HH alloys is lower than their ternary counter-part, making them most promising for TE application. Simulated band gap, obtained using hybrid functional, of ordered phases of Hf$_2$Ni$_2$InSb and Zr$_2$Ni$_2$InSb lie in the range 0.24-0.4 eV and 0.17-0.59 eV respectively, while for disordered phase, it is 0.05- 0.06 eV. Hf$_2$Ni$_2$InSb shows a reasonably high ZT value of $\sim$ 2.19, while Zr$_2$Ni$_2$InSb yields 2.46 at high temperature for n-type conduction in tetragonal phase. The ZT value for p-type conduction is also quite promising ($\sim$ 1.35 and $\sim$ 2.19 for Hf- and Zr-based compounds). In both the compounds, electronic transport (Seebeck and electrical conductivity) plays the dominant role for the high ZT-value. Keeping in mind the promising TE performance, we propose immediate attention from experimentalists to synthesize and cross validate our findings for these new candidate materials.

연구 동기 및 목표

• 다양한 구조 상에서 이중 반하스러 합금 X₂Ni₂InSb (X = Zr/Hf) 의 열전 성질을 조사하기 위해.
• 구조 상(테트라곤럴, 입방체, 고용체)이 전자 및 열 이동도 성질을 조절하는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 열전 성능 계수(ZT)를 최대화하기 위한 최적의 상과 도핑 농도를 규명하기 위해.
• Zr 및 Hf 기반 화합물의 성능을 비교하고 실험적 합성 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 정확한 금역간격 계산을 위해 HSE06 하이브리드 기능을 사용한 밀도역학이론(DFT)을 적용하였다.
• BoltzTraP2 코드를 사용하여 전자 이동도 성질(세벡 계수, 전기적 도전도, 파워 팩터)을 계산하였다.
• 위데만-프랑츠 법칙과 격자 군속도 분석을 통해 격자 열전도도(κL)를 계산하였다.
• 반경 이론을 사용하여 ZT의 실내 농도 의존성을 시뮬레이션하였다.
• 구조적 안정성과 비선형성 평가를 위해 구조 최적화 및 격자 분산 계산을 수행하였다.
• 중량이 큰 Sb 원자로 인한 밴드 분리 효과를 고려하기 위해 스핀-오비트 결합을 통합하였다.

Figure 1: Theoretically optimized crystal structures of Hf 2 Ni 2 InSb (top) and Zr 2 Ni 2 InSb (bottom) in (a) cubic (b) tetragonal and (c) SQS phases.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 X₂Ni₂InSb (X = Zr/Hf) 의 열전 성질은 테트라곤럴, 입방체 및 고용체 상에서 어떻게 달라지나?
• RQ2 격자 열전도도가 이중 반하스러 합금의 ZT 성능을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 전자 이동도(세벡 계수 및 파워 팩터)는 이들 재료에서 높은 ZT 값을 만들어내는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ4 Zr₂Ni₂InSb 및 Hf₂Ni₂InSb에서 n형 및 p형 도핑에 대해 최고의 ZT를 얻을 수 있는 상과 도핑 농도는 무엇인가?
• RQ5 스핀-오비트 결합은 전자 밴드 구조 및 열전 반응에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• Zr₂Ni₂InSb의 테트라곤럴 상은 900 K에서 n형 도핑 시 최대 ZT 2.46을 기록하였으며, 연구된 모든 상과 조성 중에서 가장 높은 성능을 보였다.
• Hf₂Ni₂InSb는 테트라곤럴 상에서 n형 도핑 시 900 K에서 ZT 2.19를 기록하였으며, 뛰어난 성능을 나타내었다.
• 테트라곤럴 상은 가장 낮은 격자 열전도도(κL)를 보이며, 이는 유사한 파워 팩터에도 불구하고 ZT 향상의 핵심 요소이다.
• p형 도핑의 경우, Zr₂Ni₂InSb의 테트라곤럴 상은 900 K에서 ZT 2.19를, Hf₂Ni₂InSb는 1.35를 기록하였다.
• HSE06 기능을 사용한 순서 정렬된 테트라곤럴 Zr₂Ni₂InSb의 시뮬레이션 금역간격은 0.17 ~ 0.59 eV 범위였으며, 유리한 반도체 행동을 나타내었다.
• 전자 이동도가 고 ZT 값을 지배하며, n형 Zr₂Ni₂InSb의 테트라곤럴 상에서 파워 팩터는 최대 29.7 mWm⁻¹K⁻²에 이를 수 있었다.

Figure 2: Atom/orbital-projected electronic band structures of (a,b) cubic (c,d) tetragonal and (e,f) disordered SQS structure of Hf- and Zr-based double HH alloys respectively.