[논문 리뷰] Effect of electron-phonon scattering, pressure and alloying on the thermoelectric performance of TmCu$_3$Ch$_4$ (Tm=V, Nb, Ta; Ch=S, Se, Te)

Enamul Haque|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 16.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 32인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 전자-음향파 산란, 압력 효과 및 합금화를 통합하여 TmCu₃Ch₄ (Tm = V, Nb, Ta; Ch = S, Se, Te)의 열전 성능을 재평가한다. p형 TaCu₃Te₄는 1 GPa 압력 하에서 1000 K에서 ZT ~5.5를 달성하는데, 이는 격자 열전도도가 0.17 W m⁻¹ K⁻¹로 극도로 감소하기 때문이다. 반면, Se 합금화는 열전도도의 약간의 감소에도 불구하고 성능을 떨어뜨린다.

ABSTRACT

The demand for green energy increases day by day due to environmental concern and thermoelectric (TE) materials are one of the eco-friendly energy resources. Few authors reported high TE performance in TmCu$_3$Ch$_4$, reaching the figure of merit (ZT) above 2 at 1000K, from first-principles calculations neglecting electron-phonon scattering, spin-orbit coupling effect (SOC), and energy-dependent carrier lifetime. Here, thermoelectric transport properties of TmCu$_3$Ch$_4$ are reinvestigated through considering these parameters, and significant discrepancies are found. The ZT of p-type TaCu$_3$Te$_4$ can reach ~3 at 1000K among these compounds due to its low lattice thermal conductivity ($κ_l$) (0.38 W m-1 K-1). Interestingly, the value of $κ_l$ is reduced to 0.17 W m-1 K-1 through 1 GPa pressure while the power factor is slightly improved due to bandgap reduction, leading to an extraordinary ZT~5.5 at 1000K. Although the substitution of Se causes a slight reduction of $κ_l$ to ~0.3 W m-1 K-1, the power factor is reduced significantly due to the dramatic reduction of DOS near Fermi level, which leads to lower the Seebeck coefficient largely and increase electrical conductivity slightly.

연구 동기 및 목표

• 이전 연구에서 忽略된 전자-음향파 산란, 스핀-오비탈 결합, 에너지 의존성 운반자 수명을 포함하여 TmCu₃Ch₄ 화합물의 열전 성능을 재평가하는 것.
• 정수압이 TaCu₃Te₄의 격자 열전도도 및 전자 운반성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 황화물 합금화(S, Se, Te)가 전자 밀도 상태 및 열전 성능에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 이 물질군에서 초고 ZT 값을 달성하기 위한 최적의 재료 및 조건을 규명하는 것.
• 전자-음향파 산란을 忽略한 이전 연구와 TmCu₃Ch₄에서 ZT > 2를 보고한 연구 사이의 모순을 해결하는 것.

제안 방법

• 전자 밴드 구조 및 포논 분산을 계산하기 위해 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 에너지 의존성 수명 시간을 사용한 이완 시간 근사법을 통해 전자-음향파 산란 효과를 통합하였다.
• 구조 최적화를 통해 정수압(1 GPa)을 적용하여 격자 역학 및 열전도도에 미치는 영향을 평가하였다.
• 슬랙 공식 및 포논 보르츠만 운반 방정식을 사용하여 격자 열전도도(κₗ)를 계산하였다.
• 전자 구조 및 이완 시간에서 유도된 시베크 계수 및 전기 전도도를 통해 전력 인자(power factor)를 평가하였다.
• κ = κₗ + κₑ인 열전 성능 평가 공식 ZT = (S²σT)/κ를 사용하여 다양한 조건 하에서의 열전 성능을 결정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자-음향파 산란을 포함함으로써 이전 연구에서 忽略된 바와 비교해 TmCu₃Ch₄ 화합물의 예측된 열전 성능은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 정수압이 TaCu₃Te₄의 격자 열전도도 및 전력 인수에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 황화물 치환(S, Se, Te)은 패피 수준 근처 전자 밀도 상태에 어떤 영향을 미치며, 그로 인해 열전 성능은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 압력 유도형 밴드 갭 감소가 TaCu₃Te₄에서 전력 인수를 향상시키고 동시에 격자 열전도도를 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 Se 합금화는 격자 열전도도가 약간 감소했음에도 불구하고 ZT를 감소시키는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 전자-음향파 산란 및 에너지 의존성 운반자 수명을 고려함으로써 이전 연구에서 忽略된 바와 비교해 ZT 예측에 상당한 차이가 발생한다.
• p형 TaCu₃Te₄는 격자 열전도도가 0.38 W m⁻¹ K⁻¹로 낮아 1000 K에서 ZT ~3을 달성한다.
• 1 GPa 압력 적용으로 격자 열전도도가 0.17 W m⁻¹ K⁻¹로 감소하고, 밴드 갭 감소로 인해 전력 인수가 약간 향상되어 1000 K에서 기록적인 ZT ~5.5를 달성한다.
• Se 합금화는 격자 열전도도를 약 ~0.3 W m⁻¹ K⁻¹로 감소시키지만, 패피 수준 근처 전자 밀도 상태가 급격히 감소하여 시베크 계수가 감소하고 전체 ZT가 낮아진다.
• Se 치환으로 인한 전력 인수 감소가 κₗ 감소의 이점을 상쇄하여 열전 성능이 전체적으로 저하된다.
• 압력 하에서 TaCu₃Te₄는 TmCu₃Ch₄ 계열에서 가장 유망한 후보로 나타나 1000 K에서 예측된 최고 ZT ~5.5를 달성한다.