Zıntl BaIn2Te4 malzemesinin yapısal, elektronik, termoelektrik ve termal taşınım özelliklerinin temel ilkeler ile incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada tellür tabanlı BaIn2Te4 malzemesinin yapısal, elektronik, örgü dinamiksel, termoelektrik ve termal taşınım özellikleri kuramsal olarak incelenmiştir. Toplam enerji ve örgü dinamiksel hesaplamalar yoğunluk fonksiyonel kuramı (YFK) temelinde ve genelleştirilmiş gradyan yaklaşımı (GGY) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Termolektrik katsayıların hesabı gevşeme zamanı yaklaşımı altında elektronik Boltzmann taşınım denklemi çözülerek elde edilmiştir. Fonon taşınım özellikleri ise doğrusallaştırılmış fonon Boltzmann taşınım denkleminden elde edilmiştir. Deneysel parametre kullanmadan elde edilen denge örgü parametreleri ve iç parametreler deneysel ölçümlerle uyumludur. Elektronik bant yapısı hesaplamalarında doğrusal-olmayan bant aralığı bulunmuş olup aralık değeri GGY limitlerinde 0,963 eV olarak elde edilmiştir. Fonon dağılım eğrileri pozitif çıkmış olup yapının dinamik olarak stabil olduğunu göstermektedir. Hesaplamış olduğumuz termoelektrik katsayılardan Seebeck katsayısının benzer taşıyıcı konsantrasyonlarda p-tipi katkılamanın, n-tipi katkılamaya göre daha yüksek değerler aldığı görülmüştür. BaIn2Te4 malzemesinin örgü termal iletkenliğinin anizotropik davranış sergilediği, ortalamasının ise deneyle mükemmel biçimde uyumlu olduğu bulunmuştur. Tamamı kuramsal olarak elde edilen niceliklerle hesaplanmış ZT değerinin oda sıcaklığında 0.25 ve altında olduğu görülmüş, orta ve yüksek sıcaklıklarda ise yüksek değerlere ulaştığı gözlenmiştir. Özellikle p-tipi katkılamada 500K'den itibaren ZT>1 değerinden daha yüksek değerlere ulaşılmıştır. n-tipi katkılamada ise ZT>1 değerine yaklaşık 700K sıcaklıktan itibaren ulaşılmıştır.

In this study, the structural, electronic, lattice dynamical, thermoelectric and thermal transport properties of the tellurium-based BaIn2Te4 material were investigated theoretically. Total energy and lattice dynamical calculations have been performed on the basis of density functional theory (DFT) and using the generalized gradient approach (GGA). The calculation of the thermoelectric coefficients was obtained by solving the electronic Boltzmann transport equation under the relaxation time approximation. Phonon transport properties are also obtained from the linearized phonon Boltzmann transport equation. Equilibrium lattice parameters obtained without using experimental parameters are in good agreement with the experiment together with internal parameters. The indirect band-gap was found in the electronic band structure calculations and the gap value was obtained as 0.963 eV at the GGA limits. Phonon distribution curves are positive, showing that the structure is dynamically stable. Among the thermoelectric coefficients we have calculated, the Seebeck coefficient has been found to have higher values for p-type doping compared to n-type at similar carrier concentrations. The lattice thermal conductivity of BaIn2Te4 was found to be anisotropic, and its average was found to be in perfect agreement with the experiment. It was observed that the ZT value, all calculated with the theoretically obtained quantities, was 0.25 and below at room temperature, and it reached high values at medium and high temperatures. Especially in p-type doping, values higher than ZT>1 have been reached starting from 500K. In n-type doping, on the other hand, ZT>1 value is reached starting from about 700K temperature.