Zintl LiCdSb malzemesinin termoelektrik özelliklerinin temel ilkeler ile incelenmesi
Investigation of the thermoelectric properties of Zintl LiCdSb material from first principles
Yazar: HÜSEYİN BENLİKAYA
Danışman: PROF. DR. SERBÜLENT YILDIRIM ; PROF. DR. TANJU GÜREL
Tekirdağ Namık Kemal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Katıhal fiziği = Solid state physics ; Yoğun madde fiziği = Condensed matter physics

Özet:
Bu tezde Zintl fazdaki yarım-Heusler LiCdSb malzemesinin  yapısal, elektronik, örgü dinamiksel ve termoelektrik özellikleri temel ilkeler yaklaşımı ile hesaplanmıştır. Hesaplamalar yoğunluk fonksiyoneli kuramı çerçevesinde düzlem dalgalar ve sanal-potansiyeller kullanılarak ve genelleştirilmiş gradyan yaklaşımı ile gerçekleştirilmiştir. Termoelektrik katsayılar yarı-klasik Boltzmann taşınım denklemi çözülerek elde edilmiştir.  Hesaplamalar sonucu PBEsol yaklaşımı ile Zintl fazdaki LiCdSb malzemesinin örgü parametreleri var olan deney sonuçları ve literatürdeki diğer hesaplamalarla uyumlu bulunmuştur. Ayrıca yapının elastik  kararlılık kriterleri ve fonon dağılım eğrilerinde, örgü dinamiksel olarak kararlı olduğu görülmüştür. Zintl LiCdSb malzemesinde spin-orbit etkileşmesinin dikkate alınmasıyla bant aralık değerinin önemli ölçüde düştüğü tespit edilmiş olup bu etkileşmenin elektronik ve termoelektrik özellikler için önemli olduğu sonucuna varılmıştır. Katı-bant yaklaşımında termoelektrik nicelikler sabit gevşeme zamanı varsayımı altında hesaplanmıştır. Hesaplamalar sonucunda Zintl fazdaki LiCdSb malzemesinin 5x10^19 cm^-3 taşıyıcı konsantrasyonunda 1000 K sıcaklığında p-tipi katkılama için ZT=1,90 ve 2.5x10^19 cm^-3 taşıyıcı konsantrasyonunda 1000 K sıcaklığında n-tipi katkılama için ZT=1,97 değerine ulaşılmıştır. Yapmış olduğumuz bu çalışma yüksek güç faktörüne sahip olmalarıyla bilinen yarım-Heusler malzemelerde, termal iletkenliği daha düşük olan Zintl fazı LiCdSb malzemesinin umut vadeden bir termoelektrik performans sergileyebileceğini göstermektedir.

Abstract:
In this thesis, the structural, electronic, lattice dynamical, and thermoelectric properties of half-Heusler LiCdSb material in the Zintl phase have been calculated using the first principles approach. The calculations are carried out in the density functional theory framework using plane waves and pseudopotentials and generalized gradient approximation. The thermoelectric coefficients were obtained by solving the semi-classical Boltzmann transport equation.  As a result of the calculations, the lattice parameters of the LiCdSb material in the Zintl phase with the PBEsol approach were found to be compatible with the existing experimental results and other calculations in the literature. In addition, the elastic stability criteria and phonon dispersion curves of the structure show that the lattice is dynamically stable. It was found that the band gap value decreased significantly by taking into account the spin-orbit interaction in Zintl LiCdSb material and it was concluded that this interaction is important for electronic and thermoelectric properties. Within the rigid-band approximation, thermoelectric properties are calculated under the assumption of constant relaxation time. As a result of the calculations, we predict ZT=1.90 for p-type doping at a carrier concentration of 5x10^19 cm^-3 at 1000 K and ZT=1.97 for n-type doping at a carrier concentration of 2,5x10^19 cm^-3 at 1000 K for LiCdSb material in Zintl phase. This study shows that in half-Heusler materials, which are known for their high power factor, the Zintl phase LiCdSb material with lower thermal conductivity can exhibit a promising thermoelectric performance.