[论文解读] Rhodium based half-Heusler alloys as possible optoelectronic and thermoelectric materials

Dhurba Raj Jaishi, Sujit Bati+4 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2021

Heusler alloys: electronic and magnetic properties被引用 4

一句话总结

本研究采用密度泛函理论与玻尔兹曼输运计算，探究了铑基半赫斯勒合金（RhTiP、RhTiAs、RhTiSb、RhTiBi）的特性，揭示其具有结构稳定性、带隙为0.94–1.01 eV的间接半导体行为、在紫外-可见光范围内的强光吸收特性，以及优异的热电性能。在RhTiBi中，p型掺杂下最高ZT值约为1.0，使其成为所研究材料中最具前景的热电应用候选。

ABSTRACT

On the basis of density functional theory and semi-classical Boltzmann theory, we have investigated the structural, elastic, electronic, optical and thermoelectric properties of 18--valence electron count rhodium based half-Heusler alloys focusing on RhTiP, RhTiAs, RhTiSb, and RhTiBi. The absence of imaginary frequencies in the phonon dispersion curve for these system verifies that they are structurally stable. RhTiP is ductile in nature, while others are brittle. The alloys are found to be semiconducting with indirect band gaps ranging from 0.94 to 1.01 eV. Our calculations suggest these materials to have high absorption coefficient and optical conductivity in the ultraviolet as well as visible region. While considering thermoelectricity, we found that $p$--type doping is more favorable in improving the thermoelectric properties. The calculated values of power factor with $p$-type doping are comparable to some of the reported half-Heusler materials. The optimum figure of merit \\zt\\ is $\\sim1$ for RhTiBi suggesting it as a promising candidate for thermoelectric applications while RhTiP, RhTiAs, and RhTiSb with optimum \\zt \\ values between 0.38 to 0.67 are possible candidates for use in thermoelectric devices.

研究动机与目标

• 利用第一性原理计算，评估RhTiZ（Z = P, As, Sb, Bi）半赫斯勒合金的结构、电子、光学与热电性能。
• 在铑基半赫斯勒化合物中识别出具有潜力的光电与热电应用候选材料。
• 评估p型与n型掺杂对功率因子与ZT值的影响，尤其关注高温条件下的表现。
• 确定晶格热导率与载流子浓度在优化热电效率中的作用。
• 探讨这些材料作为传统热电材料低成本、无毒替代品的潜力。

提出的方法

• 采用基于PBE泛函的密度泛函理论（DFT）计算电子结构、带隙与声子色散，以评估结构稳定性。
• 通过声子色散计算确认动力学稳定性，无虚频模式表明体系稳定。
• 利用Pugh比值分析弹性性质，以分类材料的延展性或脆性。
• 从介电函数计算光学性质，如吸收系数与光学电导率。
• 应用半经典玻尔兹曼输运理论计算电导率、塞贝克系数、功率因子与热导率。
• 采用公式ZT = (σα²T)/κ计算ZT值，其中κ被划分为晶格热导率（κₗ）与电子热导率（κₑ）两部分，并针对不同掺杂水平进行优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 RhTiP、RhTiAs、RhTiSb与RhTiBi半赫斯勒合金是否具有动力学稳定性与结构鲁棒性？
• RQ2 这些材料是否展现出适用于光电与热电应用的有利电子能带结构？
• RQ3 在这些合金中，何种掺杂类型（p型或n型）与浓度可使功率因子与ZT值最大化？
• RQ4 该系列材料的晶格热导率如何变化，其对ZT性能有何影响？
• RQ5 这些Rh基半赫斯勒化合物能否作为高性能热电材料的可行、无毒且低成本替代品？

主要发现

• 所有RhTiZ化合物均具有动力学稳定性，无虚频声子模式，证实其结构稳定性。
• 基于Pugh比值分析，RhTiP为延性，而RhTiAs、RhTiSb与RhTiBi为脆性。
• 这些材料为半导体，具有0.94 eV（RhTiP）至1.01 eV（RhTiBi）的间接带隙。
• 在紫外与可见光区域的高吸收系数与光学电导率表明其在光电应用中具有强大潜力。
• p型掺杂产生的功率因子显著高于n型掺杂，最优掺杂水平为每晶胞0.27–0.30个空穴。
• 在1200 K下，p型RhTiBi的最高ZT值达到0.98，其他p型掺杂体系的ZT值为0.44–0.67，表明其具有显著的热电潜力。