[论文解读] Electronic Structure and Thermoelectric Properties of Half-Heusler Alloys NiTZ

Dhurba Raj Jaishi, Nileema Sharma+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2020

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 64被引用 54

一句话总结

本研究利用密度泛函理论和玻尔兹曼输运计算，研究了18个价电子的半赫斯勒合金NiTZ（T = Sc, Ti；Z = P, As, Sn, Sb）的电子性质和热电性能。这些合金表现出间接带隙和中等的ZT值，其中NiScP在1200 K时的ZT达到0.46，表明通过优化掺杂具有潜在的热电应用价值。

ABSTRACT

We have investigated the electronic and thermoelectric properties of half-Heusler alloys NiTZ (T = Sc, and Ti; Z = P, As, Sn, and Sb) having 18 valence electron. Calculations are performed by means of density functional theory and Boltzmann transport equation with constant relaxation time approximation, validated by NiTiSn. The chosen half-Heuslers are found to be an indirect band gap semiconductor, and the lattice thermal conductivity is comparable with the state-of-the-art thermoelectric materials. The estimated power factor for NiScP, NiScAs, and NiScSb reveals that their thermoelectric performance can be enhanced by appropriate doping rate. The value of ZT found for NiScP, NiScAs, and NiScSb are 0.46, 0.35, and 0.29, respectively at 1200 K.

研究动机与目标

• 探索尚未充分研究的具有18个价电子的镍基半赫斯勒合金的电子与热电性能。
• 评估NiTZ（T = Sc, Ti；Z = P, As, Sn, Sb）在能量转换器件中潜在应用的热电性能。
• 以实验已知的NiTiSn为基准，验证计算方法的可靠性。
• 评估通过载流子浓度调控和掺杂提升功率因子和ZT的潜力。

提出的方法

• 采用WIEN2k软件包中的全势线性化增广平面波（FP-LAPW）方法进行电子结构计算。
• 使用广义梯度近似（GGA）结合PBE泛函和mBJ势，以提高带隙计算的准确性。
• 应用BoltTraP代码，基于常数弛豫时间近似下的半经典玻尔兹曼输运方程计算输运性质。
• 利用Quantum Espresso中的thermal2程序，通过线性化玻尔兹曼输运方程在单模弛豫时间近似下计算晶格热导率。
• 将结果与NiTiSn的实验数据进行对比验证，并进行了声子色 dispersion 计算以确认动力学稳定性。
• 电子性质计算采用10×10×10的k点网格，输运性质计算采用50×50×50的k点网格。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有18个价电子的NiTZ半赫斯勒合金是否展现出适合热电应用的电子能带结构？
• RQ2 在高温下，NiScP、NiScAs和NiScSb的预测热电性能（ZT和功率因子）如何？
• RQ3 这些合金的晶格热导率与当前最先进的热电材料相比如何？
• RQ4 在Z位点进行适当的掺杂是否能提升这些材料的功率因子和整体ZT？
• RQ5 通过声子色散计算确认，这些合金是否具有动力学稳定性？

主要发现

• 所有研究的NiTZ合金（NiScP、NiScAs、NiScSb、NiTiSn）均表现出间接带隙，带隙值在0.28 eV至0.62 eV之间，具体取决于成分。
• 声子色散计算证实了动力学稳定性，因为在整个布里渊区中均未出现虚频。
• 通过优化掺杂，NiScP、NiScAs和NiScSb的功率因子可进一步提升，表明其电子输运性能具有可调性。
• NiScP在1200 K时的ZT值达到0.46，NiScAs为0.35，NiScSb为0.29，表明其具有中等水平的热电性能。
• 晶格热导率与当前最先进的热电材料相当，支持其在高效能量转换中的应用潜力。
• 电子结构主要由靠近费米能级的Ni和Sc的3d轨道主导，Z位点原子的贡献较小，表明价带中存在强烈的轨道杂化。