[论文解读] Connecting thermoelectric performance and topological-insulator behavior: Bi$_2$Te$_3$ and Bi$_{2}$Te$_{2}$Se from first principles

Hongliang Shi, David Parker+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2014

Topological Materials and Phenomena被引用 12

一句话总结

本研究通过第一性原理计算，将Bi₂Te₃和Bi₂Te₂Se中的拓扑绝缘体行为与高热电性能联系起来，揭示了自旋-轨道耦合引起的复杂非抛物能带结构可同时增强拓扑绝缘性和热电效率。尽管晶体结构相似，由于能带反转机制不同，两种材料表现出截然不同的电子响应；其中Bi₂Te₂Se因具有有利的能带各向异性和在硒富集条件下的低缺陷形成能，展现出更优的热电潜力。

ABSTRACT

Thermoelectric performance is of interest for numerous applications such as waste heat recovery and solid state energy conversion, and will be seen to be closely connected to topological insulator behavior. In this context we here report first principles transport and defect calculations for Bi$_{2}$Te$_{2}$Se in relation to Bi$_{2}$Te$_{3}$. The two compounds are found to contain remarkably different electronic structures in spite of being isostructural and isoelectronic. We discuss these results in terms of the topological insulator characteristics of these compounds.

研究动机与目标

• 研究Bi₂Te₃和Bi₂Te₂Se中拓扑绝缘体（TI）行为与高热电性能之间的关联。
• 理解为何这些结构和电子构型相同的材料表现出截然不同的电子结构和输运性质。
• 评估Bi₂Te₂Se中的缺陷形成能和热力学稳定性，以评估其作为高性能热电材料的可行性。
• 确定与拓扑绝缘体行为相关的复杂能带结构是否本质上有利于热电输运。
• 探索通过能带工程将拓扑绝缘体材料作为提升ZT值候选材料的潜力。

提出的方法

• 采用包含自旋-轨道耦合的密度泛函理论（DFT）计算电子结构和能带色散关系。
• 使用BoltTraP代码从电子能带结构计算输运性质（塞贝克系数、电导率、功率因子）。
• 采用四面体法结合高斯展宽，实现输运性质的精确积分。
• 利用形成能公式ΔH_f = E_def - E_bulk - Σ ν_i μ_i，计算反位缺陷（Se_Te和Te_Se）的缺陷形成能。
• 基于二元和三元化合物形成能的热力学约束，投影Bi₂Te₂Se的化学势范围以确定稳定性。
• 绘制稳定化学势区域（图12中的梯形ABCD），以识别有利于化学计量比Bi₂Te₂Se合成的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋-轨道耦合引起的能带反转如何影响Bi₂Te₃和Bi₂Te₂Se的电子结构及热电输运性质？
• RQ2 为何Bi₂Te₃和Bi₂Te₂Se虽为同质结构且电子构型相同，却表现出截然不同的热电性能？
• RQ3 在不同化学势条件下，Bi₂Te₂Se中反位缺陷的缺陷形成能是多少，其对材料稳定性有何影响？
• RQ4 拓扑绝缘体特征的复杂非抛物能带结构是否能增强热电性能？
• RQ5 何种化学势条件可确保Bi₂Te₂Se的热力学稳定性，其对合成与缺陷控制有何影响？

主要发现

• 由于更强的能带反转，Bi₂Te₂Se的能带结构比Bi₂Te₃复杂得多，呈现非抛物特性，其等能面呈波纹状，有利于实现高热电性能。
• 由于费米能级附近能带色散具有显著各向异性和非抛物特性，Bi₂Te₂Se的塞贝克系数和功率因子明显优于Bi₂Te₃。
• Bi₂Te₂Se中Te_Se和Se_Te反位缺陷的缺陷形成能分别为0.041 eV和0.154 eV，数值较低，表明在典型合成条件下缺陷浓度较高，尤其在硒富集边界附近。
• Bi₂Te₂Se的热力学稳定范围较窄，局限于化学势空间中的一个梯形区域（图12中的ABCD），在该区域之外，材料易向Bi₂Te₃（Te富集）和Bi₂Se₃（Se富集）相转变。
• 低缺陷形成能表明，非化学计量比和合金散射可能占主导地位，尽管能带结构有利，但可能仍会降低载流子迁移率。
• 本研究通过自旋-轨道耦合诱导的复杂非抛物能带结构，建立了拓扑绝缘体行为与高热电性能之间的直接关联。