Zintl RbZn4As3 malzemesinin termoelektrik özelliklerinin temel ilkeler ile incelenmesi
Investigation of the thermoelectric properties of the Zintl RbZn4As3 material from first principles
Yazar: AHMET ERDOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. TANJU GÜREL
Tekirdağ Namık Kemal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Yenilenebilir enerji sistemlerine dönüşün başladığı günümüzde termoelektrik malzemlerin atık ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmesi de yenilenebilir enerji olarak kabul edilebilir. Bu sistemlerin geliştirilebilmesi için termoelektrik malzemelerin verimliliğinin artırılması yönünde araştırmalar yapılmaktadır. Bir termoelektrik malzemenin performansı ZT ile tarif edilmektedir. Bu değer malzemenin Seebeck katsayısı ve elektriksel iletkenliği ile doğru, termal iletkenliği ile ters orantısı ile ilişkilidir. Yeni keşfedilen bazı Zintl faz bileşiklerinin düşük termal iletkenliğe ve yüksek elektriksel iletkenliğe sahip olabilmeleri bu yöndeki araştırmalara olan ilgiyi artırmıştır. Bu çalışmamızda Zintl faz ailesinden KCu4S3 prototipi tetragonal yapıdaki RbZn4As3 malzemesi kuramsal olarak incelenmiştir. 
Tetragonal yapıdaki RbZn4As3 malzemesinin yapısal, elektronik ve örgü dinamiksel özellikleri Yoğunluk Fonksiyonel Kuramı (YFK) temelinde ve genelleştirilmiş gradyan yaklaşımı (GGY) ve Hubbard düzeltmesi (GGY+U) kullanılarak hesaplanmıştır. Denge örgü parametreleri, hacim modülü, elektronik bant yapıları, elektronik durum yoğunlukları, fonon dağılım eğrileri ve fonon durum yoğunlukları elde edilmiş ve varolan diğer deneysel ve kuramsal çalışmalarla karşılaştırılmıştır. Malzemenin doğru bant aralığına sahip olduğu görülmüş, GGY negatif bant aralığı, GGA+U yaklaşımın 0,15 eV ve hibrit fonksiyonellerin ise 0,63 eV bant aralığı verdiği bulunmuştur. Termal taşınım özellikleri fonon Boltzmann taşınım denkleminin çözümü ile elde edilmiş olup güçlü akustik-optik fonon-fonon etkileşmelerinin düşük örgü termal iletkenliğe yol açtığı tespit edilmiştir. Ayrıca malzemenin örgü termal iletkenliğinin yöne bağımlı olduğu bulunmuştur. 
Termoelektrik özellikler sabit gevşeme zamanı yaklaşımı altında yarı-klasik Boltzmann taşınım denklemi kullanılarak hesaplanmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda p-tipi katkılama ile elde edilen Seebeck katsayıları n-tipine göre oldukça yüksek çıkmıştır. n-tipi katkılama daha yüksek elektriksel iletkenlik sergilese de düşük Seebeck katsayısı ve yüksek elektronik termal iletkenlik sebebiyle termoelektrik performansı p-tipi katkılamaya göre daha düşük kalmıştır.
Yapılmış olan bu çalışma ile Zintl RbZn4As3 malzemesinin düşük termal iletkenlik ve p-tipi katkılama için yüksek Seebeck katsayısına sahip olduğu tespit edilmiş olup orta ve yüksek sıcaklıklarda yüksek performans ZT değerleri elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar umut verici termoelektrik malzemeler için öncü olabileceğini göstermektedir.

Abstract:
Today, when the return to renewable energy systems has begun, the conversion of waste heat energy into electrical energy by thermoelectric materials can also be considered as renewable energy. In order to develop these systems, research is being conducted to increase the efficiency of thermoelectric materials. The performance of a thermoelectric material is described by ZT. This value is directly related to the Seebeck coefficient and electrical conductivity and inversely related to the thermal conductivity. The ability of some newly discovered Zintl phase compounds to have low thermal conductivity and high electrical conductivity has increased the interest in research in this direction. In this work, the tetragonal RbZn4As3 material with KCu4As3 prototype from the Zintl phase family is theoretically investigated. 
The structural, electronic and lattice dynamical properties of the tetragonal RbZn4As3 material are calculated on the basis of Density Functional Theory (DFT) using the generalized gradient approximation (GGA) and Hubbard correction (GGA+U). Equilibrium lattice parameters, bulk modulus, electronic band structures, electronic density of states, phonon dispersion curves and phonon density of states were obtained and compared with other existing experimental and theoretical studies. The material was found to have the direct band gap, with the GGA approximation giving a negative band gap, the GGA+U approximation giving a band gap of 0,15 eV and the hybrid functionals giving a band gap of 0,63 eV. Thermal transport properties were obtained by solving the phonon Boltzmann transport equation and it was found that strong acoustic-optical phonon-phonon interactions lead to low lattice thermal conductivity. It is also found that the lattice thermal conductivity of the material is direction dependent. 
The thermoelectric properties were calculated using the semi-classical Boltzmann transport equation under the constant relaxation time approximation. As a result of the calculations, the Seebeck coefficients obtained with p-type doping were significantly higher than those obtained with n-type doping. Although n-type doping exhibits higher electrical conductivity, its thermoelectric performance was lower than that of p-type doping due to low Seebeck coefficient and high electronic thermal conductivity.
In this study, Zintl RbZn4As3 material was found to have low thermal conductivity and high Seebeck coefficient for p-type doping, resulting in high performance ZT values at moderate and high temperatures. The obtained results show that it can be a pioneer for promising thermoelectric materials.