[论文解读] Looking for new thermoelectric materials among the TMX intermetallics using high-throughput calculations

Céline Barreteau, Jean‐Claude Crivello+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2018

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 69被引用 25

一句话总结

本研究采用高通量密度泛函理论（DFT）计算，对四种晶体结构（TiNiSi、MgAgAs、BeZrSi、ZrNiAl）中的2,280种三元TMX金属间化合物配置进行筛选，以寻找热电半导体材料。研究识别出21种稳定且非金属的化合物，其中四种——TaFeSb、HfTiSn、HfCoP和SrCuSb——为新候选材料，其电子性质此前未被报道，具有潜在的热电应用前景。

ABSTRACT

Within 4 different crystal structures, 2280 ternary intermetallic configurations have been investigated via high-throughput density functional theory calculations in order to discover new semiconducting materials. The screening is restricted to intermetallics with the equimolar composition TMX, where T is a transition metal from the Ti, V, Cr columns, Sr, Ba, Y and La, M an element from the first line of transition metals and X a sp elements (Al, P, Si, Sn and Sb), i.e. to a list of 24 possible elements. Since the calculations are done combinatorically, every possible ternary composition is considered, even those not reported in the literature. All these TMX configurations are investigated in the 4 most reported structure-types: TiNiSi, MgAgAs, BeZrSi and ZrNiAl. With an excellent agreement between calculations and literature for the reported stable phases, we identify 472 possible stable compounds among which 21 are predicted as non-metallic. Among these 21 compositions, 4 could be considered as new semiconductors.

研究动机与目标

• 在等摩尔TMX金属间化合物中发现新的、稳定的、半导体性质的热电材料。
• 通过高通量DFT系统筛选T（过渡金属：Ti、V、Cr、Sr、Ba、Y、La）、M（第一行过渡金属）和X（sp元素：Al、P、Si、Sn、Sb）的所有可能1:1:1组成。
• 识别出具有非金属行为（半导体或半金属）且适用于热电应用的化合物。
• 通过与晶体学数据库中的实验数据对比，验证计算模型的预测稳定性与电子结构。
• 优先筛选出具有实验合成潜力和热电性能潜力的新化合物，且其电子性质此前未被报道。

提出的方法

• 采用组合式高通量方法，在四种晶体结构（TiNiSi（Pnma）、MgAgAs（F-43m，半赫斯勒型）、BeZrSi（P63/mmc）、ZrNiAl（P-62m））中生成2,280种独特的TMX配置。
• 使用VASP软件，基于GGA-PBE泛函和投影缀加平面波（PAW）方法进行密度泛函理论（DFT）计算，以获得生成焓和电子态密度。
• 通过比较四种原型结构的生成焓，确定每种组成的最稳定结构。
• 电子结构分析聚焦于费米能级附近的态密度，以识别半导体行为（非零带隙，费米能级处态密度低）。
• 通过与无机晶体结构数据库（ICSD）的实验数据交叉验证稳定性，并利用相图分析评估热力学稳定性。
• 若化合物被预测为半导体、稳定，且此前未被报道或其电子性质未知，则优先考虑其在热电应用中的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2,280种配置中，哪些TMX金属间化合物具有热力学稳定性和非金属性？
• RQ2 高通量DFT方法在预测已知稳定且半导体性质的TMX化合物方面表现如何？
• RQ3 所预测的半导体化合物中，哪些是新发现且文献中尚未报道的？
• RQ4 18电子规则在稳定半赫斯勒（MgAgAs型）半导体TMX化合物中起什么作用？
• RQ5 哪些化合物因预测的稳定性和非金属性而最适合作为实验合成的候选？

主要发现

• 在2,280种配置中，预测有472种化合物具有热力学稳定性，其中21种被识别为非金属（半导体或半金属）。
• 在21种非金属化合物中，16种被预测结晶为MgAgAs（半赫斯勒）结构类型，且全部遵循18电子规则。
• 21种非金属化合物中有10种已在文献中被报道，且实验上被视为有前景的热电材料。
• 四种化合物——TaFeSb、HfTiSn、HfCoP和SrCuSb——被预测为稳定半导体，且其电子性质此前无实验报道。
• HfCoP和SrCuSb虽在文献中报道有已知晶体结构，但缺乏实测的电子或输运性质，因此是进一步研究的优选候选。
• LaCuSn因结构模糊性及在多种原型中生成焓相近，被判断可能为金属，尽管MgAgAs结构是唯一非金属结构，但并非最稳定结构。