[论文解读] Optoelectronic and thermoelectric properties of Ba3DN (D = Sb, Bi): A DFT investigation

Enamul Haque, Md. Taslimur Rahman+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2018

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 25被引用 7

一句话总结

本DFT研究探讨了六方反钙钛矿Ba₃DN（D = Sb, Bi）的光电与热电性质，揭示这两种材料均为直接带隙半导体，带隙分别为1.35 eV和1.33 eV。自旋-轨道耦合的引入显著减小了Ba₃BiN的带隙，而两种化合物均表现出高的吸收系数和折射率，表明其在高效太阳能电池和热电应用方面具有巨大潜力，原因在于其具有高塞贝克系数和功率因子。

ABSTRACT

We have investigated the optoelectronic and thermoelectric properties of hexagonal antiperovskites Ba$_3$DN (D = Sb, Bi) using DFT calculations. The calculated equilibrium lattice parameters of both compounds are in good agreement with the available data. The calculated electronic structures indicate that they are direct bandgap semiconductors and the values of bandgaps are 1.35 and 1.33 eV for Ba3SbN and Ba3BiN, respectively. The inclusion of the spin-orbit effect split the conduction bands and the band gap of Ba$_3$BiN is much reduced. These two compounds have a high absorption coefficient, notably higher than that for GaAs and close to that for silicon. The obtained static refractive index is ~2.8 and 3.26, for Ba$_3$SbN and Ba$_3$BiN, respectively. We predict that both materials are suitable for a high-efficiency solar cell. Both compounds exhibit a high Seebeck coefficient and high power factor. Our analysis predicts that the studied materials are potential candidates in thermoelectric device applications.

研究动机与目标

• 评估六方反钙钛矿Ba₃SbN和Ba₃BiN的光电与热电性质。
• 确定其在光伏与热电器件应用中的适用性。
• 分析自旋-轨道耦合对电子能带结构及带隙缩小的影响。
• 比较两种化合物的光学响应与电输运性质。

提出的方法

• 采用广义梯度近似（GGA）和PBE泛函进行密度泛函理论（DFT）计算。
• 引入自旋-轨道耦合（SOC）效应，以评估其对能带结构和带隙的影响。
• 从介电函数计算光学性质，如吸收系数和折射率。
• 利用BoltzTraP代码评估热电性质，包括塞贝克系数和功率因子。
• 对晶格参数进行优化，并与现有实验数据对比，以验证计算模型的可靠性。
• 分析电子能带结构与态密度，以确定直接带隙特性及载流子有效质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ba₃SbN和Ba₃BiN的电子能带结构与带隙如何？自旋-轨道耦合如何影响它们？
• RQ2 这些材料的光学吸收系数和折射率与GaAs和Si等已知半导体相比如何？
• RQ3 Ba₃SbN和Ba₃BiN的预测热电性能在塞贝克系数和功率因子方面如何？
• RQ4 基于其光学与电子性质，这些材料是否适合用于高效太阳能电池？
• RQ5 Sb被Bi取代后，Ba₃SbN与Ba₃BiN的电子与输运性质有何不同？

主要发现

• 当不考虑自旋-轨道耦合时，Ba₃SbN和Ba₃BiN均为直接带隙半导体，带隙分别为1.35 eV和1.33 eV。
• 引入自旋-轨道耦合后，Ba₃BiN的带隙显著减小，表明铋基化合物中存在强烈的自旋-轨道效应。
• 两种材料均表现出高的吸收系数，明显超过GaAs，接近硅的水平，表明其具有优异的光捕获潜力。
• 静态折射率计算值约为Ba₃SbN为2.8，Ba₃BiN为3.26，支持其强光学响应。
• 两种化合物均表现出高塞贝克系数和高功率因子，表明其在热电应用方面具有巨大潜力。
• 结果表明，Ba₃SbN和Ba₃BiN因其优异的光电与输运特性组合，是高效太阳能电池与热电器件的有前途候选材料。