[论文解读] High Seebeck coefficient and ultra-low lattice thermal conductivity in Cs2InAgCl6

Enamul Haque, Md.A. Hossain|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2018

Perovskite Materials and Applications参考文献 26被引用 8

一句话总结

本第一性原理研究探讨了Cs2InAgCl6作为有前途的热电材料的潜力，揭示其在室温下具有199 μV/K的高塞贝克系数和约0.2 Wm⁻¹K⁻¹的超低晶格热导率，这是由于强声子散射和低声子群速度所致。该材料具有3.67 eV（TB-mBJ）的直接带隙，且在700 K时ZT值达到0.74，表明其在高效热电应用方面具有巨大潜力。

ABSTRACT

The elastic, electronic and thermoelectric properties of indium-based double-perovskite halide, Cs2InAgCl6 have been studied by first principles study. The Cs2InAgCl6 is found to be elastically stable, ductile, anisotropic and relatively low hard material. The calculated direct bandgap 3.67 eV by TB-mBJ functional fairly agrees with the experimentally measured value 3.3 eV but PBE functional underestimates the bandgap by 1.483 eV. The relaxation time and lattice thermal conductivity have been calculated by using relaxation time approximation (RTA) within the supercell approach. The lattice thermal conductivity (\k{appa}l) is quite low (0.2 Wm-1K-1). The quite low phonon group velocity in the large weighted phase space, and high anharmonicity (large phonon scattering) are responsible for small \k{appa}l. The room temperature Seebeck coefficient is 199 μVK-1. Such high Seebeck coefficient arises from the combination of the flat conduction band and large bandgap. We obtain power factors at 300K by using PBE and TB-mBJ potentials are ~29 and ~31 mWm-1K-2, respectively and the corresponding thermoelectric figure of merit of Cs2BiAgCl6 are 0.71 and 0.72. However, the maximum ZT value obtained at 700K is ~0.74 by TB-mBJ potential. The obtained results implies that Cs2InAgCl6 is a promising material for thermoelectric device applications.

研究动机与目标

• 评估Cs2InAgCl6作为新型双钙钛矿卤化物材料的热电潜力。
• 理解其超低晶格热导率和高塞贝克系数的起源。
• 使用PBE和TB-mBJ泛函比较电子能带结构和热电性能。
• 评估材料的机械稳定性及其各向异性行为以评估其实际应用潜力。
• 确定在相关温度范围内热电优值（ZT）的变化情况。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）结合PBE和TB-mBJ泛函，计算电子结构和能带性质。
• 在超原胞方法中应用弛豫时间近似（RTA）计算晶格热导率（κₗ）。
• 通过分析声子色 dispersion 和群速度，解释低κₗ的起源。
• 在恒定弛豫时间近似下，利用玻尔兹曼输运方程计算塞贝克系数和功率因子。
• 通过弹性常数评估机械稳定性，并分析材料的延展性、各向异性和硬度。
• 从功率因子和热导率计算热电优值（ZT）。

实验结果

研究问题

• RQ1 Cs2InAgCl6的电子带隙是多少？与实验值相比如何？
• RQ2 是什么导致Cs2InAgCl6中出现超低晶格热导率？
• RQ3 Cs2InAgCl6在室温下的塞贝克系数与其他热电材料相比如何？
• RQ4 Cs2InAgCl6可实现的最大ZT值是多少？在何种温度下达到？
• RQ5 不同交换关联泛函（PBE与TB-mBJ）如何影响预测的热电性能？

主要发现

• 使用TB-mBJ泛函计算时，Cs2InAgCl6表现出3.67 eV的直接带隙，与实验值3.3 eV非常接近。
• PBE泛函使带隙低估了1.483 eV，凸显了泛函选择在能带结构预测中的重要性。
• 晶格热导率（κₗ）极低，仅为0.2 Wm⁻¹K⁻¹，这是由于声子群速度低且非谐性高所致。
• 室温下塞贝克系数达到199 μV/K，其成因是导带平坦和带隙较大。
• 300 K时的功率因子分别为~29 mWm⁻¹K⁻²（PBE）和~31 mWm⁻¹K⁻²（TB-mBJ），对应的ZT值分别为0.71和0.72。
• 使用TB-mBJ泛函时，最大ZT值为0.74，出现在700 K，表明其在高温下具有强大的热电潜力。