Bazı dörtlü yarım-heusler malzemelerin yapısal, elektronik, titreşimsel ve termoelektrik özelliklerinin temel ilkelerden incelenmesi

Abstract

Yarım-Heusler malzemelerden 18 değerlik elektronuna sahip olanlar yarı-iletken davranış sergilemekte ve termoelektrik özellikleri bakımından yoğun olarak çalışılmaktadır. Üç farklı atomdan oluşan 18-elektrona sahip yarım-Heusler malzemelere benzer dört farklı atomdan oluşan ve yine aynı değerlik elektron sayısına sahip dörtlü yarım-Heusler olarak adlandırılan bileşikler de düşük termal iletkenlik gösterdikleri için umut vaat etmektedirler. Bu çalışmada üçlü yarım-Heusler TiCoSb ve ScNiSb ve dörtlü yarım-Heusler, Ti$_2$FeNiSb$_2$ ve MgTiNi$_2$Sb$_2$ malzemelerinin yapısal, elektronik, titreşimsel ve termoelektrik özellikleri temel ilkelerle hesaplandı. Hesaplamalar yoğunluk fonksiyonel kuramı (YFK) ile ve genelleştirilmiş gradyan yaklaşımı (GGY) kullanılarak gerçekleştirildi. Geometrik optimizasyon yapılarak denge örgü parametreleri elde edilmiştir. Hacim modülü, hacim modülünün basınç bağımlılığı, elektronik bant yapıları, toplam ve kısmi elektronik durum yoğunlukları ve titreşimsel özellikler hesaplanmış, sonuçlar mevcut deney ve diğer hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır. Seebeck katsayısı, elektriksel iletkenlik, elektronik termal iletkenlik gibi termoelektrik özellikler yarı-klasik Boltzmann taşınım kuramı çerçevesinde ve sabit gevşeme zamanı yaklaşımı ile hesaplanmıştır. Mevcut deneysel ve kuramsal çalışmalarla elde edilmiş örgü termal iletkenlik ve tahmini bir sabit gevşeme zamanı kullanılarak ZT değerleri öngörülmüştür. TiCoSb malzemesindeki Co atomu yerine Fe ve Ni atomlarının konulması ile oluşturulan Ti$_2$FeNiSb$_2$ malzemesinin p-tipi ZT değeri (0,58) 800K'de TiCoSb'ye göre (0,94) \%40 daha düşük olduğu bulunmuştur. Ancak ScNiSb malzemesinde Sc atomu yerine Mg ve Ti atomlarının konulmasının ise MgTiNi$_2$Sb$_2$'nin ZT değerinde (0,8) ScNiSb'ninkine (0,42) göre iki kat artış sağladığı gösterilmiştir.

Half-Heusler materials having 18 valence electrons exhibit semiconductor behavior and are intensively studied because of their thermoelectric properties. Quaternary half-Heusler materials with four different atoms are also have 18 valence electrons similar to the ternary half-Heusler materials and are promising due to their low thermal conductivities. In this study, structural, electronic, vibrational and thermoelectric properties of ternary half-Heusler TiCoSb and ScNiSb and quaternary half-Heusler Ti$_2$FeNiSb$_2$ and MgTiNi$_2$Sb$_2$ materials are calculated from first principles. Calculations are carried out using density functional theory (DFT) within generalized gradient approximation (GGA). Equilibrium lattice parameters are obtained by geometrical optimization. Bulk modulus, pressure dependence of bulk modulus, electronic band structures, total and partial electronic density of states and vibrational properties are calculated and results are compared with available experiments and other calculations. Thermoelectric properties such as Seebeck coefficient, electrical conductivity, and electronic thermal conductivity are calculated within the framework of the semi-classical Boltzmann transport theory and with relaxation time approximation. ZT values are predicted with the help of lattice thermal conductivity and a guessed constant relaxation time coefficient results obtained by available experimental and theoretical studies. The p-type ZT value (0.58) of Ti$_2$FeNiSb$_2$ material which is created by substituting the Co atom in the TiCoSb material with the Fe and Ni atoms was found to be 40\% lower than TiCoSb value (0.94) at 800K. However, it has been shown that the substitution of Mg and Ti atoms instead of Sc atoms in ScNiSb material provides a two-fold increase in MgTiNi$_2$ Sb$_2$ compared to that of ScNiSb (0,42).