[论文解读] Ultra-low lattice thermal conductivity in Cs2BiAgX6 (X=Cl, Br): Potential thermoelectric materials

Enamul Haque, Munir Hossain|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2018

Perovskite Materials and Applications被引用 5

一句话总结

本研究利用从头算计算，探究了Cs2BiAgX6（X=Cl, Br）双钙钛矿卤化物作为高性能热电材料的潜力。结果表明，由于声子群速度低且散射强烈，其晶格热导率极低——在300 K时，Cl和Br分别为0.078 Wm⁻¹K⁻¹和0.065 Wm⁻¹K⁻¹，因而分别在700 K时实现高达0.775和0.774的热电优值（ZT）。

ABSTRACT

We have explored electronic and thermoelectric properties of bismuth-based double-perovskite halides Cs2BiAgX6 by using first principles calculations. The calculated indirect bandgaps 2.85 eV and 1.99 eV for Cs2BiAgCl6 and Cs2BiAgBr6, respectively well agree with the measured value (2.77 eV of Cs2BiAgCl6 and 2.19 eV of Cs2BiAgBr6). We have calculated the relaxation time and lattice thermal conductivity by using relaxation time approximation (RTA) within supercell approach. The lattice thermal conductivities for both compounds are remarkably low and the obtained values at 300K for Cs2BiAgCl6 and Cs2BiAgBr6 are 0.078 and 0.065 Wm-1K-1, respectively. Such quite low lattice thermal conductivity arises due to low phonon group velocity in the large weighted phase space and large phonon scattering. The large Seebeck coefficient obtained for both halides at 400K. We have obtained the maximum power factors at 700K and the corresponding thermoelectric figure of merit for Cs2BiAgCl6 and Cs2BiAgBr6 are 0.775 and 0.774, respectively. The calculated results reveal that both halides are potential thermoelectric materials.

研究动机与目标

• 评估铋基双钙钛矿卤化物Cs2BiAgX6（X=Cl, Br）的热电潜力。
• 理解这些材料中极低晶格热导率的起源。
• 预测在相关温度范围内热电性能，包括功率因子和优值（ZT）。
• 关联电子能带结构与声子散射机制，阐明热输运特性。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算电子结构和带隙。
• 在超原胞方法中应用弛豫时间近似（RTA）计算晶格热导率。
• 计算声子群速度和散射率，以解释低热导率现象。
• 使用BoltzTraP代码从电子能带结构计算塞贝克系数和功率因子。
• 采用公式ZT = (S²σT)/κ计算热电优值，其中κ包含晶格和电子贡献。
• 通过与实验测量值对比验证带隙预测，确保计算模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cs2BiAgCl6和Cs2BiAgBr6在室温及高温下的晶格热导率是多少？
• RQ2 原子尺度上的何种机制导致这些材料中观测到的极低晶格热导率？
• RQ3 Cs2BiAgX6化合物在高温下的预测热电功率因子和优值（ZT）是多少？
• RQ4 Cs2BiAgX6化合物的电子能带结构如何影响其热电性能？
• RQ5 声子散射与群速度抑制在热导率降低中所起的作用有多大？

主要发现

• 计算得到的Cs2BiAgCl6（2.85 eV）和Cs2BiAgBr6（1.99 eV）间接带隙与实验值（2.77 eV和2.19 eV）高度一致。
• 在300 K时，Cs2BiAgCl6和Cs2BiAgBr6的晶格热导率分别为0.078 Wm⁻¹K⁻¹和0.065 Wm⁻¹K⁻¹，表明声子输运极弱。
• 极低热导率源于声子群速度低且在宽广的动量空间中发生强烈散射。
• 在400 K时塞贝克系数仍保持较大值，支持高效的热电功率生成。
• 最大功率因子出现在700 K，对应的ZT值分别为0.775（Cs2BiAgCl6）和0.774（Cs2BiAgBr6）。
• 结果证实，两种Cs2BiAgX6化合物均为高性能热电材料的有前途候选。