[论文解读] Nanograined half-Heusler semiconductors as advanced thermoelectrics: an ab-initio high-throughput statistical study

Jesús Carrete, Natalio Mingo+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2014

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 58被引用 146

一句话总结

本研究对75种热力学稳定的纳米晶半赫斯勒半导体进行了从头算高通量筛选，以识别高性能热电材料。通过第一性原理计算和恒定平均自由程近似，确定了在高温下ZT > 2的化合物，并揭示了较大的晶格参数以及较宽的带隙或较重的空穴有效质量是实现高ZT的关键因素，从而为材料选择建立了可预测的机器学习规则。

ABSTRACT

Nanostructuring has spurred a revival in the field of direct thermoelectric energy conversion. Nanograined materials can now be synthesized with higher figures of merit (ZT) than the bulk counterparts. This leads to increased conversion efficiencies. Despite considerable effort in optimizing the known and discovering the unknown, technology still relies upon a few limited solutions. Here we perform ab-initio modeling of ZT for 75 nanograined compounds obtained by filtering down the 79,057 half-Heusler entries available in the AFLOWLIB.org repository according to electronic and thermodynamic criteria. For many of the compounds the $ZT$s are markedly above those attainable with nanograined IV and III-V semiconductors. About 15% of them may even outperform ZT~2 at high temperatures. Our analysis elucidates the origin of the advantageous thermoelectric properties found within this broad material class. We use machine learning techniques to unveil simple rules determining if a nanograined half-Heusler compound is likely to be a good thermoelectric given its chemical composition.

研究动机与目标

• 在纳米晶体系中识别具有高热电性能的半赫斯勒化合物。
• 通过第一性原理高通量预测ZT，克服实验筛选的局限性。
• 基于化学成分和电子结构，建立纳米晶半赫斯勒材料的可预测设计规则。
• 确定在纳米晶极限下，如带隙、有效质量及晶格参数等材料属性如何最大化ZT。
• 通过估算实际晶粒尺寸并对比块体热导率，验证纳米晶极限模型的适用性。

提出的方法

• 在AFLOWLIB数据库的79,057种半赫斯勒化合物上，使用VASP进行从头算计算，采用PAW赝势和PBE交换关联泛函。
• 应用筛选标准：负形成焓、力学稳定性（真实声子色散关系）以及通过三元相图实现的热力学稳定性。
• 采用恒定平均自由程（λ）近似计算电子和振动输运系数，将ZT简化为与λ无关的形式。
• 使用简化的输运方程计算ZT：σ ∝ λ，S与λ无关，κℓ ∝ λ，κe ∝ λ，其中M(FD)n和M(BE)n积分在布里渊区上进行。
• 使用BOLTZTRAP结合自定义的恒定-λ假设，并采用80×80×80的k点网格进行电子输运计算。
• 通过递归划分方法进行机器学习，基于元素组成推导出高ZT的条件概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些纳米晶半赫斯勒化合物在高温下表现出ZT > 2，其性能与传统IV族和III-V族半导体相比如何？
• RQ2 在纳米晶半赫斯勒材料中，主导电子和晶格输运机制是什么，导致ZT增强？
• RQ3 晶格参数以及带隙或空穴有效质量如何在纳米晶极限下影响ZT？
• RQ4 能否通过简单的化学成分规则高精度预测纳米晶半赫斯勒材料的高ZT？
• RQ5 纳米晶极限模型适用的晶粒尺寸范围估计是多少，其与实验可行性相比如何？

主要发现

• 在75种稳定的纳米晶半赫斯勒化合物中，15%被预测在高温下可实现ZT > 2，显著优于块体IV族和III-V族半导体。
• 高温下性能最佳的五种候选材料为BiBaK、RhSnTa、AuAlHf、CoBiZr和CoAsHf，均在1000 K时ZT > 2。
• 许多化合物在室温下的ZT值超过0.5，其中BiBaK、SbNaSr、AuAlHf、CoBiZr和RhSnTa位列前五。
• 高ZT主要由高功率因子和由于晶界散射导致的晶格热导率降低所驱动。
• 实现高ZT的关键结构因素是较大的晶格参数，以及在高温下为宽带隙，或在室温下为空穴有效质量较大。
• 递归划分算法识别出具有高预测能力的元素组成规则：例如，存在Na、Al、Si、Ti、Sn或Co可显著提高在室温和高温下实现高ZT的可能性。