[论文解读] Effect of Bi-substitution on Structural Stability and Improved Thermoelectric Performance of p-type Half-Heusler TaSbRu: A First-principles Study

Enamul Haque, Mostafizur Rahman+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2020

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 65被引用 9

一句话总结

这项第一性原理研究通过降低晶格热导率同时保持高功率因子，探究了在p型半赫斯勒TaSbRu中进行Bi掺杂以提升热电性能。通过引入自旋-轨道耦合、能量依赖的空穴弛豫时间以及声子玻尔兹曼输运计算，作者表明50% Bi掺杂可使晶格热导率从20降至5 W/mK，并在1200 K时使ZT提升至1.1——相比纯TaSbRu提高了2.45倍。

ABSTRACT

Recently, Fang et al. have predicted a high ZT of 1.54 in TaSbRu alloys at 1200 K from first-principles without considering spin-orbit interaction, accurate electronic structure, details of phonon scattering, and energy-dependent holes relaxation time. Here, we report the details of structural stability and thermoelectric performance of Bi-Substituted p-type TaSbRu from first-principles calculations considering theses important parameters. This indirect bandgap semiconductor (Eg=0.8 eV by TB-mBJ+SOC) has highly dispersive and degenerate valence bands, which lead to a maximum power factor, 3.8 mWm-1K-2 at 300K. As Sb-5p has a small contribution to the bandgap formation, the substitution of Bi on the Sb site does not cause significant change to the electronic structure. Although the Seebeck coefficient increases by Bi due to slight changes in the bandgap, electrical conductivity, and hence, the power factor reduces to ~3 mW m-1K-2 at 300K (50% Bi). On the other side, lattice thermal conductivity drops effectively to 5 from 20 W/m K as Bi introduces a significant contribution in the acoustic phonon region and intensify phonon scattering. Thus, ZT value is improved through Bi-substitution, reaching 1.1 (50% Bi) at 1200 K from 0.45 (pure TaSbRu) only. Therefore, the present study suggests how to improve the TE performance of Sb-based half-Heusler compounds and TaSbRu (with 50% Bi) is a promising material for high-temperature applications.

研究动机与目标

• 解决文献中关于TaSbRu热电性能报道值之间存在显著差异的问题。
• 研究Bi掺杂对p型TaSbRu结构稳定性和热电性能的影响。
• 评估自旋-轨道耦合、能量依赖的弛豫时间以及声子散射在准确预测热电性能中的作用。
• 通过重元素合金化识别提升Sb基半赫斯勒化合物ZT值的策略。

提出的方法

• 使用WIEN2k中的全势线性化增广平面波（LAPW）方法进行第一性原理计算。
• 引入自旋-轨道耦合（SOC）和TB-mBJ泛函以准确计算电子结构和带隙。
• 通过能量依赖的空穴弛豫时间计算载流子输运性质。
• 基于原子间力常数（IFCs）通过声子玻尔兹曼输运方程推导晶格热导率。
• 系统分析不同Bi浓度和温度下的结构稳定性、电子能带结构、声子色散关系以及热电优值（ZT）。

实验结果

研究问题

• RQ1 Bi掺杂如何影响TaSbRu的结构和电子稳定性？
• RQ2 自旋-轨道耦合和能量依赖的弛豫时间对TaSbRu中功率因子计算有何影响？
• RQ3 Bi掺杂如何影响声子散射和晶格热导率？
• RQ4 为何以往的理论研究在TaSbRu的热电性能上存在如此大的差异？
• RQ5 Bi掺杂是否能在高温下显著提升TaSbRu的ZT值？

主要发现

• 采用TB-mBJ+SOC计算得到TaSbRu的带隙为0.8 eV，确认其为间接带隙半导体，且价带具有高度色散性和简并性。
• Bi掺杂使带隙略微增加至0.83 eV，对电子结构影响极小。
• 在300 K时，50% Bi掺杂导致功率因子从3.8降至约3 mWm⁻¹K⁻²，尽管塞贝克系数增加，但电导率降低所致。
• 在300 K时，由于非谐性增强以及Bi对声学声子的贡献，晶格热导率从20降至5 W/mK。
• 在1200 K时，ZT值从纯TaSbRu的0.45提升至1.1，实现2.45倍的显著改善。
• 本研究通过表明能量无关的弛豫时间和缺乏SOC会导致功率因子和ZT值被高估，从而解决了以往文献中的不一致问题。