[论文解读] extit{Ab initio} study of Bi-based half Heusler alloys as potential thermoelectric prospects

Sapna Singh, Mohd Zeeshan+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2019

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 1被引用 5

一句话总结

本项从头算研究探讨了基于铋的半赫斯勒合金 CoTiBi、CoZrBi、CoHfBi、FeVBi、FeNbBi 和 FeTaBi 作为有前途的 p 型热电材料。通过第一性原理计算与玻尔兹曼输运理论，作者预测其功率因子比 p 型 CoTiSb 高约 40%，在 1100 K 时 ZT 值最高可达 1.53，尤其在 CoZrBi 中表现突出，其热导率低于传统的锑基类似物，表明其具有很强的实验探索潜力。

ABSTRACT

We investigated six heavy element bismuth-based 18-VEC half-Heusler alloys CoTiBi, CoZrBi, CoHfBi, FeVBi, FeNbBi, and FeTaBi by first principles approach, in search of better thermoelectric prospects. The motivation is driven by expected lower thermal conductivity and the recent discovery of CoZrBi-based materials. Significantly, our calculated power factor values of all the systems show an increment of $\sim$40\% in comparison to the reported extit{p}-type CoTiSb. We propose that doping at Bi-site, on account of electronic features, will be helpful in achieving the proposed power factor values. Interestingly, the thermal conductivity of CoTiBi and CoZrBi was found to be lower and that of CoHfBi was almost parallel, in comparison to the reported CoTiSb. We also provide conservative estimates of the figure of merit, exceeding the reported CoTiSb and comparable to FeNbSb. Overall, our results suggest potential new candidates of bismuth-based ternary compounds for high thermoelectric performance.

研究动机与目标

• 通过利用重铋元素较低的热导率，识别具有增强热电性能的新铋基半赫斯勒合金。
• 采用第一性原理方法评估钴族与铁族铋基 hH 化合物的电子与输运性质。
• 评估铋位 p 型掺杂在优化功率因子与优值（ZT）方面的潜力。
• 将铋基 hH 合金的热电性能与已知的 p 型材料（如 CoTiSb 和 FeNbSb）进行比较。
• 通过分析结构、动力学与热力学稳定性，为实验合成提供理论指导。

提出的方法

• 采用 Wien2k 中的 FLAPW 方法与 Quantum Espresso 中的平面波赝势方法进行第一性原理密度泛函理论（DFT）计算。
• 在电子结构与输运计算中采用 PBEsol 交换关联泛函与标量相对论近似。
• 利用 Boltztrap 程序进行半经典玻尔兹曼输运理论计算，以获得电导率、塞贝克系数与功率因子。
• 采用刚性能带近似模拟铋位 p 型掺杂，以优化输运性能。
• 通过平面波赝势方法计算声子色散关系，以评估动力学稳定性并确认结构鲁棒性。
• 在保守假设下估算热导率与优值（ZT），其中 ZT 按公式 ZT = S²σT / (κₑ + κₗ) 计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 铋基半赫斯勒合金是否可表现出高于传统 p 型 CoTiSb 的功率因子？
• RQ2 与锑基类似物相比，铋基 hH 化合物是否表现出显著降低的晶格热导率？
• RQ3 在高温下，钴族与铁族铋基 hH 合金的预测热电性能（ZT）如何？
• RQ4 在这些体系中，铋位 p 型掺杂如何影响功率因子？
• RQ5 所提出的铋基 hH 合金是否具备足够的动力学与热力学稳定性以支持实验合成？

主要发现

• 所有铋基 hH 体系的功率因子均比报道的 p 型 CoTiSb 高约 40%，其中 CoZrBi 的功率因子更高，达约 47%。
• 塞贝克系数范围为 159 至 182 μV K⁻¹，其中 CoZrBi 因价带顶附近具有高能带简并度而表现出最高值。
• 晶格热导率显著降低：CoTiBi（约 13 W m⁻¹ K⁻¹）、CoZrBi（约 10 W m⁻¹ K⁻¹）与 CoHfBi（约 15 W m⁻¹ K⁻¹），远低于 CoTiSb（约 17 W m⁻¹ K⁻¹）。
• 在 1100 K 时，p 型 CoZrBi 的最大 ZT 值达到 1.53，超过已报道的 CoTiSb 值，并接近 FeNbSb 的水平。
• FeTaBi 在 1100 K 时的功率因子与 p 型 FeNbSb 相当，表明其在 p 型掺杂下具有极强的热电潜力。
• 通过声子色散关系确认所有体系均具有动力学稳定性；CoTiBi 与 CoHfBi 在热力学上稳定，而铁族化合物在母体形式下稳定性存疑，但在掺杂条件下仍具可行性。