Elastic and Thermoelectric Properties of Vacancy Ordered Double Perovskites A2BX6: A DFT Study

Muhammad Faizan Guoqi Zhao Tianxu Zhang Xiaoyu Wang Xin He Lijun Zhang

Citation:  Muhammad Faizan, Guoqi Zhao, Tianxu Zhang, Xiaoyu Wang, Xin He, Lijun Zhang. Elastic and Thermoelectric Properties of Vacancy Ordered Double Perovskites A2BX6: A DFT Study[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(1): 230300. doi: 10.3866/PKU.WHXB202303004 shu

空位有序双钙钛矿A2BX6的弹性和热电性质的第一性原理研究

    通讯作者: FaizanMuhammad,
    贺欣, xin_he@jlu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 62004080

摘要: 卤化物钙钛矿在热电应用中表现出了巨大的潜力。准确了解卤化物钙钛矿的热电传输性质对于进一步提高热电设备的应用效率至关重要。本研究采用了Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)和修正的Becke Johnson (mBJ)交换关联泛函探究了卤化物双钙钛矿Rb2SnI6、Rb2PdI6和Cs2PtI6的弹性和热电性质。通过对这些材料的力学稳定性、有效质量、塞贝克系数、功率因子和热电品质因数的研究,我们发现,这三种化合物都是力学稳定的,并且具有可塑性。这些化合物是窄带隙半导体,具有简并的带边结构,结合低的载流子有效质量使得它们具有热电应用潜力。Cs2PtI6在空穴掺杂在500 K温度下可以达到0.76 mV·K−1的高塞贝克系数。由于高塞贝克系数和最大功率因子,Rb2SnI6、Rb2PdI6和Cs2PtI6在p型掺杂下具有高的热电品质因数,分别为0.91、0.96和0.98。总体而言,我们的研究为卤化物钙钛矿的热电性能提供了新的见解,为这些化合物的实验合成提供了有价值的参考。

English

    1. [1]

      Lewis, N. S.; Crabtree, G.; Nozik, A. J.; Wasielewski, M. R.; Alivisatos, P.; Kung, H.; Tsao, J.; Chandler, E.; Walukiewicz, W.; Spitler, M. Basic research needs for solar energy utilization. Report of the Basic Energy Sciences Workshop on Solar Energy Utilization, April 18–21, 2005, DOESC (USDOE Office of Science (SC)).

    2. [2]

      Yin, L. C.; Liu, W. D.; Li, M.; Wang, D. Z.; Wu, H.; Wang, Y.; Zhang, L.; Shi, X. L.; Liu, Q.; Chen, Z. G. Adv. Funct. Mater. 2023, 2301750. doi: 10.1002/adfm.202301750

    3. [3]

      Wang, D. Z.; Liu, W. D.; Li, M.; Yin, L.C.; Gao, H.; Sun, Q.; Wu, H.; Wang, Y.; Shi, X. L.; Yang, X. J. Chem. Eng. 2022, 441, 136131. doi: 10.1002/mame.202200411

    4. [4]

      Chen, W. Y.; Shi, X. L.; Zou, J.; Chen, Z. G. Mater. Sci. Eng. R-Rep. 2022, 151, 100700. doi: 10.1016/j.mser.2022.100700

    5. [5]

      Chen, Z. G.; Liu, W. D. J. Mater. Sci. Technol. 2022, 121, 256. doi: 10.1016/j.jmst.2021.12.069

    6. [6]

      Cao, T.; Shi, X. L.; Chen, Z. G. Prog. Mater. Sci. 2022, 131, 101003. doi: 10.1016/j.pmatsci.2022.101003

    7. [7]

      Pisoni, A.; Jacimovic, J.; Barisic, O. S.; Spina, M.; Gaál, R.; Forró, L.; Horváth, E. J. Phys. Chem. Lett. 2014, 5, 2488. doi: 10.1021/jz5012109

    8. [8]

      Zhang, H. ACS Nano 2015, 9, 9451. doi: 10.1021/acsnano.5b05040

    9. [9]

      Liu, W.; Jie, Q.; Kim, H. S.; Ren, Z. Acta Mater. 2015, 87, 357. doi: 10.1016/j.actamat.2014.12.042

    10. [10]

      Tritt, T. M.; Subramanian, M. MRS Bull. 2006, 31, 188. doi: 10.1557/mrs2006.44

    11. [11]

      Venkatasubramanian, R.; Siivola, E.; Colpitts, T.; O'quinn, B. Nature 2001, 413, 597. doi: 10.1038/35098012

    12. [12]

      Goldsmid, H. J.; Douglas, R. W. Br. J. Appl. Phys. 1954, 5, 386. doi: 10.1088/0508-3443/5/11/303

    13. [13]

      Wright, D. Nature 1958, 181, 834. doi: 10.1038/181834a0

    14. [14]

      Mcguire, M. A.; Reynolds, T. K.; Disalvo, F. J. Chem. Mater. 2005, 17, 2875. doi: 10.1021/cm050412c

    15. [15]

      Liu, M. L.; Huang, F. Q.; Chen, L. D.; Chen, I. W. Appl. Phys. Lett. 2009, 94, 202103. doi: 10.1063/1.3130718

    16. [16]

      Larson, P.; Mahanti, S.; Sportouch, S.; Kanatzidis, M. G. Phys. Rev. B 1999, 59, 15660. doi: 10.1103/PhysRevB.59.15660

    17. [17]

      Cameron, J. M.; Hughes, R. W.; Zhao, Y.; Gregory, D. H. Chem. Soc. Rev. 2011, 40, 4099. doi: 10.1039/C0CS00132E

    18. [18]

      Siddique, M.; Rahman, A. U.; Haq, B. U.; Iqbal, A.; Ahmad, A.; Ahmad, I. Comput. Condens. Matter 2017, 13, 111. doi: 10.1016/j.cocom.2017.10.003

    19. [19]

      Funahashi, R.; Matsubara, I.; Sodeoka, S. Appl. Phys. Lett. 2000, 76, 2385. doi: 10.1063/1.126354

    20. [20]

      Ohtaki, M.; Ogura, D.; Eguchi, K.; Arai, H. J. Mater. Chem. 1994, 4, 653. doi: 10.1039/JM9940400653

    21. [21]

      Fu, C.; Zhu, T.; Pei, Y.; Xie, H.; Wang, H.; Snyder, G. J.; Liu, Y.; Liu, Y.; Zhao, X. Adv. Energy Mater. 2014, 4, 1400600. doi: 10.1002/aenm.201400600

    22. [22]

      Fu, C.; Zhu, T.; Liu, Y.; Xie, H.; Zhao, X. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 216. doi: 10.1039/C4EE03042G

    23. [23]

      Han, C.; Li, Z.; Dou, S. Chin. Sci. Bull. 2014, 59, 2073. doi: 10.1007/s11434-014-0237-2

    24. [24]

      Yang, L.; Chen, Z. G.; Dargusch, M. S.; Zou, J. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701797. doi: 10.1002/aenm.201701797

    25. [25]

      Hellman, O.; Abrikosov, I.; Simak, S. Phys. Rev. B 2011, 84, 180301. doi: 10.1103/PhysRevB.84.180301

    26. [26]

      Maughan, A. E.; Ganose, A. M.; Almaker, M. A.; Scanlon, D. O.; Neilson, J. R. Chem. Mater. 2018, 30, 3909. doi: 10.1021/acs.chemmater.8b01549

    27. [27]

      Souvatzis, P.; Eriksson, O.; Katsnelson, M.; Rudin, S. Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 095901. doi: 10.1103/PhysRevLett.100.095901

    28. [28]

      Faizan, M.; Xie, J.; Murtaza, G.; Echeverría-Arrondo, C.; Alshahrani, T.; Bhamu, K. C.; Laref, A.; Mora-Seró, I.; Khan, S. H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2021, 23, 4646. doi: 10.1039/d0cp05827k

    29. [29]

      Jung, Y.; Lee, W.; Han, S.; Kim, B. S.; Yoo, S. J.; Jang, H. Adv. Mater. 2022, 2204872. doi: 10.1002/adma.202204872

    30. [30]

      Liu, T.; Zhao, X.; Li, J.; Liu, Z.; Liscio, F.; Milita, S.; Schroeder, B. C.; Fenwick, O. Nat. Commun. 2019, 10, 5750. doi: 10.1038/s41467-019-13773-3

    31. [31]

      Lee, C.; Hong, J.; Stroppa, A.; Whangbo, M. -H.; Shim, J. H. RSC Adv. 2015, 5, 78701. doi: 10.1039/C5RA12536G

    32. [32]

      Russ, B.; Glaudell, A.; Urban, J. J.; Chabinyc, M. L.; Segalman, R. A. Nat. Rev. Mater. 2016, 1, 1. doi: 10.1038/natrevmats.2016.50

    33. [33]

      Lin, S.; Yan, L.; Zhao, L.; Cai, Z.; Liu, Z.; Yang, B.; Yang, M.; Zhao, C. ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 14508. doi: 10.1021/acsaem.1c03177

    34. [34]

      Mettan, X.; Pisoni, R.; Matus, P.; Pisoni, A.; JaćImović, J. I.; Náfrádi, B.; Spina, M.; Pavuna, D.; Forró, L.; Horváth, E. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 11506. doi: 10.1021/acs.jpcc.5b03939

    35. [35]

      Nozariasbmarz, A.; Poudel, B.; Li, W.; Kang, H. B.; Zhu, H.; Priya, S. iScience 2020, 23, 101340. doi: 10.1016/j.isci.2020.101340

    36. [36]

      Wu, Y.; Nan, P.; Chen, Z.; Zeng, Z.; Lin, S.; Zhang, X.; Dong, H.; Chen, Z.; Gu, H.; Li, W. Research 2020, 2020, 8151059. doi: 10.34133/2020/8151059

    37. [37]

      Mao, J.; Zhu, H.; Ding, Z.; Liu, Z.; Gamage, G. A.; Chen, G.; Ren, Z. Science 2019, 365, 495. doi: 10.1126/science.aax7792

    38. [38]

      Stoumpos, C. C.; Kanatzidis, M. G. Adv. Mater. 2016, 28, 5778. doi: 10.1002/adma.201600265

    39. [39]

      Filippetti, A.; Caddeo, C.; Delugas, P.; Mattoni, A. J. Phys. Chem. C. 2016, 120, 28472. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b10278

    40. [40]

      Feng, X.; Fan, Y.; Nomura, N.; Kikuchi, K.; Wang, L.; Jiang, W.; Kawasaki, A. Carbon 2017, 112, 169. doi: 10.1016/j.carbon.2016.11.012

    41. [41]

      Al-Anazy, M. M.; Ali, M. A.; Bouzgarrou, S.; Murtaza, G.; Al-Muhimeed, T. I.; Alobaid, A. A.; Mera, A.; Mahmood, Q.; Nazir, G. Phys. Scr. 2021, 96, 125828. doi: 10.1088/1402-4896/ac297a

    42. [42]

      Bhui, A.; Ghosh, T.; Pal, K.; Rana, K. S; Kundu, K.; Soni, A.; Biswas, K. Chem. Mater. 2022, 34, 3301. doi: 10.1021/acs.chemmater.2c00084

    43. [43]

      Albalawi, H.; Mustafa, G. M.; Saba, S.; Kattan, N. A.; Mahmood, Q.; Somaily, H. H.; Morsi, M.; Alharthi, S.; Amin, M. A. Mater. Today Commun. 2022, 32, 104083. doi: 10.1016/j.mtcomm.2022.104083

    44. [44]

      Fallah, M.; Milani Moghaddam, H. Mater. Sci. Semicond. Process. 2021, 133, 105984. doi: 10.1016/j.mssp.2021.105984

    45. [45]

      Li, J.; Hu, W.; Yang, J. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 4448. doi: 10.1021/jacs.1c11887

    46. [46]

      Bousahla, M. A.; Faizan, M.; Seddik, T.; Omran, S. B.; Khachai, H.; Laref, A.; Khenata, R.; Znaidia, S.; Boukhris, I.; Khan, S. H. Mater. Today Commun. 2022, 30, 103061. doi: 10.1016/j.mtcomm.2021.103061

    47. [47]

      Zeng, X.; Jiang, J.; Niu, G.; Sui, L.; Zhang, Y.; Wang, X.; Liu, X.; Chen, A.; Jin, M.; Yuan, K. J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 9736. doi: 10.1021/acs.jpclett.2c02350

    48. [48]

      Wu, H.; Shi, X. L.; Liu, W. D.; Gao, H.; Wang, D. Z.; Yin, L. C.; Liu, Q.; Chen, Z. G. Appl. Mater. Today 2022, 29, 101580. doi: 10.1016/j.apmt.2022.101580

    49. [49]

      Hsu, K. F.; Loo, S.; Guo, F.; Chen, W.; Dyck, J. S.; Uher, C.; Hogan, T.; Polychroniadis, E.; Kanatzidis, M. G. Science 2004, 303, 818. doi: 10.1126/science.1092963

    50. [50]

      Disalvo, F. J. Science 1999, 285, 703. doi: 10.1126/science.285.5428.703

    51. [51]

      Poudel, B.; Hao, Q.; Ma, Y.; Lan, Y.; Minnich, A.; Yu, B.; Yan, X.; Wang, D.; Muto, A.; Vashaee, D. Science 2008, 320, 634. doi: 10.1126/science.1156446

    52. [52]

      Van Roekeghem, A.; Carrete, J.; Oses, C.; Curtarolo, S.; Mingo, N. Phys. Rev. X 2016, 6, 041061. doi: 10.1103/PhysRevX.6.041061

    53. [53]

      Faizan, M.; Bhamu, K.; Murtaza, G.; He, X.; Kulhari, N.; Al-Anazy, M. M.; Khan, S. H. Sci. Rep. 2021, 11, 1. doi: 10.1038/s41598-021-86145-x

    54. [54]

      Haque, M. A.; Kee, S.; Villalva, D. R.; Ong, W. L.; Baran, D. Adv. Sci. 2020, 7, 1903389. doi: 10.1002/advs.201903389

    55. [55]

      Blaha, P.; Schwarz, K.; Madsen, G. K.; Kvasnicka, D.; Luitz, J. An Augmented Plane Wave+Local Orbitals Program for Calculating Crystal Properties, Vienna University of Technology, Vienna, Austria, 2001; pp. 1–302.

    56. [56]

      Mokrousov. Y, Bihlmayer, G, Blugel, S. Phys. Rev. B 2006, 72, 045402. doi: 10.1103/PhysRevB.72.045402

    57. [57]

      Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865. doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3865

    58. [58]

      Tran, F.; Blaha, P. Phys. Rev. Lett. 2009, 102, 226401. doi: 10.1103/PhysRevLett.102.226401

    59. [59]

      Camargo-Martínez, J.; Baquero, R. Phys. Rev. B 2012, 86, 195106. doi: 10.1103/PhysRevB.86.195106

    60. [60]

      Koller, D.; Tran, F.; Blaha, P. Phys. Rev. B 2012, 85, 155109. doi: 10.1103/PhysRevB.85.155109

    61. [61]

      Ziman, J. M. Principles of the Theory of Solids, 2nd ed.; Cambridge University Press: Cambridge, England, 1972; pp. 1–435.

    62. [62]

      Madsen, G. K.; Singh, D. J. Comput. Phys. Commun. 2006, 175, 67. doi: 10.1016/j.cpc.2006.03.007

    63. [63]

      Ashcroft, N. W.; Mermin, N. D. Solid State Physics, 1st ed.; Cengage Learning: Boston, United States, 1976; pp. 1–833.

    64. [64]

      Werker, W. Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas 1939, 58, 257. doi: 10.1002/recl.19390580309

    65. [65]

      Schüpp, B.; Heines, P.; Keller, H. L. Z. Anorg. Allg. Chem 2000, 626, 202. doi: 10.1002/(SICI)1521-3749(200001)626:1

    66. [66]

      Thiele, G.; Mrozek, C.; Kämmerer, D.; Wittmann, K. Z. fur Naturforsch. B 1983, 38, 905. doi: 10.1515/znb-1983-0802

    67. [67]

      Cai, Y.; Xie, W.; Ding, H.; Chen, Y.; Thirumal, K.; Wong, L. H.; Mathews, N.; Mhaisalkar, S. G.; Sherburne, M.; Asta, M. Chem. Mater. 2017, 29, 7740. doi: 10.1021/acs.chemmater.7b02013

    68. [68]

      Born, M.; Huang, K.; Lax, M. Am. J. Phys. 1955, 23, 474. doi: 10.1119/1.1934059

    69. [69]

      Voigt, W. Ann. Phys. 1889, 274, 573. doi: 10.1002/andp.18892741206

    70. [70]

      Reuß, A. J. Appl. Math. Mech. 1929, 9, 49. doi: 10.1002/zamm.19290090104

    71. [71]

      Hill, R. Sect. A 1952, 65, 349. doi: 10.1088/0370-1298/65/5/307

    72. [72]

      Pugh, S. London Edinburgh Philos. Mag. J. Sci. 1954, 45, 823. doi: 10.1080/14786440808520496

    73. [73]

      Tvergaard, V.; Hutchinson, J. W. J. Am. Ceram. Soc. 1988, 71, 157. doi: 10.1111/j.1151-2916.1988.tb05022.x

    74. [74]

      Pettifor, D. Mater. Sci. Technol. 1992, 8, 345. doi: 10.1179/mst.1992.8.4.345

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  25
  • 文章访问数:  2746
  • HTML全文浏览量:  148
文章相关
  • 发布日期:  2024-01-15
  • 收稿日期:  2023-03-01
  • 接受日期:  2023-05-09
  • 修回日期:  2023-04-30
  • 网络出版日期:  2023-05-16
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章