[论文解读] Effect of electron-phonon scattering, pressure and alloying on the thermoelectric performance of TmCu$_3$Ch$_4$ (Tm=V, Nb, Ta; Ch=S, Se, Te)

Enamul Haque|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2020

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 32被引用 4

一句话总结

本研究通过引入电子-声子散射、压力效应和合金化，重新评估了TmCu₃Ch₄（Tm = V, Nb, Ta；Ch = S, Se, Te）的热电性能，发现p型TaCu₃Te₄在1000 K下施加1 GPa压力时，由于晶格热导率急剧降低至0.17 W m⁻¹ K⁻¹，ZT可达约5.5，而尽管热导率略有降低，但硒合金化反而降低了性能。

ABSTRACT

The demand for green energy increases day by day due to environmental concern and thermoelectric (TE) materials are one of the eco-friendly energy resources. Few authors reported high TE performance in TmCu$_3$Ch$_4$, reaching the figure of merit (ZT) above 2 at 1000K, from first-principles calculations neglecting electron-phonon scattering, spin-orbit coupling effect (SOC), and energy-dependent carrier lifetime. Here, thermoelectric transport properties of TmCu$_3$Ch$_4$ are reinvestigated through considering these parameters, and significant discrepancies are found. The ZT of p-type TaCu$_3$Te$_4$ can reach ~3 at 1000K among these compounds due to its low lattice thermal conductivity ($κ_l$) (0.38 W m-1 K-1). Interestingly, the value of $κ_l$ is reduced to 0.17 W m-1 K-1 through 1 GPa pressure while the power factor is slightly improved due to bandgap reduction, leading to an extraordinary ZT~5.5 at 1000K. Although the substitution of Se causes a slight reduction of $κ_l$ to ~0.3 W m-1 K-1, the power factor is reduced significantly due to the dramatic reduction of DOS near Fermi level, which leads to lower the Seebeck coefficient largely and increase electrical conductivity slightly.

研究动机与目标

• 通过纳入电子-声子散射、自旋-轨道耦合和能量依赖的载流子寿命，重新评估TmCu₃Ch₄化合物的热电性能，这些因素在以往研究中被忽略。
• 研究静水压对TaCu₃Te₄中晶格热导率和电子输运的影响。
• 评估硫属元素合金化（S, Se, Te）对电子态密度和热电性能的影响。
• 识别该类材料中实现超高压ZT值的最佳材料和条件。
• 解决先前忽略电子-声子散射的研究与报告ZT > 2的TmCu₃Ch₄研究之间的矛盾。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以获得电子能带结构和声子色 dispersion。
• 利用能量依赖的弛豫时间，在弛豫时间近似下引入电子-声子散射效应。
• 通过结构优化施加静水压（1 GPa），评估其对晶格动力学和热导率的影响。
• 使用Slack公式和声子Boltzmann输运方程计算晶格热导率（κₗ）。
• 基于电子结构和弛豫时间，通过塞曼系数和电导率计算功率因子。
• 采用优值ZT = (S²σT)/κ（其中κ = κₗ + κₑ）来评估不同条件下热电性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 与忽略这些效应的先前研究相比，纳入电子-声子散射如何改变TmCu₃Ch₄化合物的预测热电性能？
• RQ2 静水压对TaCu₃Te₄中晶格热导率和功率因子有何影响？
• RQ3 硫属元素取代（S, Se, Te）如何影响费米能级附近的电子态密度及相应的热电性能？
• RQ4 压力诱导的带隙减小是否能同时增强功率因子并降低TaCu₃Te₄的晶格热导率？
• RQ5 为何硒合金化尽管使晶格热导率略有降低，却反而降低了ZT？

主要发现

• 纳入电子-声子散射和能量依赖的载流子寿命导致ZT预测值与先前忽略这些效应的研究相比存在显著差异。
• p型TaCu₃Te₄在1000 K时ZT约为3，归因于其较低的晶格热导率（0.38 W m⁻¹ K⁻¹）。
• 施加1 GPa压力可使晶格热导率降低至0.17 W m⁻¹ K⁻¹，并通过带隙减小略微提升功率因子，从而在1000 K时实现高达约5.5的非凡ZT值。
• 硒合金化使晶格热导率降低至约0.3 W m⁻¹ K⁻¹，但导致费米能级附近态密度显著下降，降低塞曼系数，从而降低整体ZT。
• 硒取代导致的功率因子下降超过了κₗ降低带来的益处，导致热电性能总体下降。
• 在压力条件下，TaCu₃Te₄成为TmCu₃Ch₄家族中最具前景的候选材料，在1000 K时预测ZT最高，可达约5.5。