普拉蒂克莎·米娜 | 苏达桑·J.B. | 尼蒂亚南丹·卡纳加拉杰
印度海得拉巴印度理工学院物理系，桑加雷迪，502284，特伦甘纳邦，印度
摘要
在这项工作中，我们使用了WIEN2k计算程序进行基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算，以研究半赫斯勒合金TiXAs（X = Co, Rh）的各种性质。我们研究了结构优化、机械稳定性以及电子和磁性质。此外，还研究了赫斯勒合金TiXAs（X = Co, Rh）的热力学、光学和输运性质。在零温度（0 K）和常压（0 GPa）下，测量了诸如凝聚能、体模量和晶格常数等重要参数。采用了由Perdew、Burke和Ernzerhof（PBE）参数化的广义梯度近似（GGA）和TB-mBJ势。结晶为半赫斯勒结构的TiXAs（X = Co, Rh）合金的间接带隙分别为1.1889 eV（TiCoAs）和1.0338 eV（TiRhAs）。为了评估它们在光电应用中的可行性，还对其光学特性进行了研究。研究结果表明，这些半赫斯勒合金TiXAs（X = Co, Rh）具有很好的潜力，可以用于光电设备技术中。
引言
当代先进技术的主要进展与高性能电子设备的创新和工程设计密切相关。这些电子设备需要不断改进以满足不断变化的需求。因此，识别和利用具有半导体特性的新材料至关重要，因为它们是技术进步的关键推动力。同时，这类材料的发现也有助于设计紧凑、轻便且高效的系统和设备。在这方面，半赫斯勒（HH）合金因其出色的机械稳定性、灵活的电学性质和良好的热阻而越来越受欢迎。弗里德里希·赫斯勒于1903年发现了赫斯勒合金[1]，自那时起，由于其独特的性质[2]、[3]，特别是在清洁和可持续能源领域[4]、[5]，它们受到了广泛关注。这些材料在多种先进技术中表现出色，包括热电系统、太阳能电池[6]、光电设备[7]、[8]、[9]和自旋电子学[10]、[11]、[12]。
赫斯勒合金主要有两类：半赫斯勒合金和全赫斯勒合金，其结构组成分别为X2YZ和XYZ。HH合金（也称为半赫斯勒合金）以其多样的物理性质和在各种光电应用中的潜在用途而闻名。这些合金由两种过渡金属和一种主族元素组成，在能源相关应用中具有巨大潜力。它们可以在热电设备中将废热转化为电能，并在太阳能电池和传感器等光电系统中利用光能。然而，主要挑战之一是生产出不仅高效而且成本效益高、安全且耐用的材料[13]、[14]。这促使工程师和科学家寻找更好的、环保且经济可行的材料替代品。迄今为止，已经从理论和实验角度对HH合金的设计、模拟和性能测试进行了大量研究。
例如，维尔玛等人对TiCoSb HH合金的半导体和热电性质进行了研究[15]。该研究表明，高温退火会影响其热电参数，如塞贝克系数和电导率。例如，在973 K下退火会改变热电性能，表明热处理对其性能的改善是必要的[16]。另一种化合物TiRhAs在高通量计算测试中显示出较低的热导率，这意味着其热电优值（ZT）较高[17]。TiNiSn是另一种值得注意的基于Ti的HH合金，预测的带隙为0.45 eV，而TiCoSb的带隙为1.06 eV，超过了大多数其他HH合金。它具有较高的塞贝克系数和良好的电导率，使其成为废热回收系统的理想选择[18]。同样，TiPdSn在600 K时的直接带隙为0.481 eV，塞贝克系数为231 μV/K，基于第一性原理计算表明它是一种有前景的高性能能源材料[19]。
郝马等人发现，半赫斯勒合金MCoBi（M = Ti, Zr, Hf）的带隙分别为0.908、0.980和0.949 eV。其中，TiCoBi的晶格热导率低于ZrCoBi和HfCoBi，表明其声子-声子相互作用更强[20]。无量纲热电优值（FoM）是衡量热电材料效率的重要指标。计算表明，p型MCoBi（M = Ti, Zr, Hf）化合物的性能优于n型化合物，其S2σ值更大。在800 K时，p型ZrCoBi的热电性能最高，ZT为1.7，其次是TiCoBi（1.4）和HfCoBi（1.5），而n型HfCoBi的最大ZT为1.1。此外，ZrCoBi和TiCoBi的带隙分别为1.211 eV和1.027 eV。在室温下，p型（n型）ZrCoBi和TiCoBi的ZT值分别为0.53（0.22）和0.28（0.11）[21]，这与先前的结果一致。这些发现支持ZrCoBi和TiCoBi作为p型热电材料的可行性。此外，在MCoP（M = Ti, Zr, Hf）化合物中，HfCoP在1200 K时的ZT值最高，表明其在高温热电应用中具有巨大潜力[22]。尽管n型变体的ZT值较低，但TiCoP仍具有竞争力，ZT为0.54[22]。最近对基于Cr的半赫斯勒合金（如CrScPb和CrTiPb）的研究显示了它们的结构稳定性、显著的磁性质和有效的热电活性。例如，CrTiPb在常温下的ZT值接近1，表明其在能源和光电技术中有潜在应用[23]。同样，MnTiAs通过DFT研究显示了金属导电性、强红外吸收和优异的热电性能，ZT为0.902，表明其适用于红外探测和能量收集应用[24]。基于铑的HH合金RhTiP[25]、RhVZ（Z = Bi, Te, Tl）[26]、RhTiZ（Z: As, Sb）[27]、[28]中最引人注目的研究领域之一是开发具有可调电子结构的潜在多功能材料，这些材料表现出显著的热电和拓扑绝缘能力[29]。这些合金的机械稳定性、半导体性质和良好的输运特性使它们成为高效废热回收和热电能量转换系统的理想候选者。
从上述研究中可以清楚地看到，基于Ti的HH合金因其出色的热电能量转换和先进电子应用潜力而受到广泛关注[30]。这些特性使它们成为未来技术改进的理想选择。在这项研究中，我们使用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算来分析HH合金TiXAs（X = Co, Rh）。为此，我们在WIEN2k计算程序中采用了Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）方案中的广义梯度近似（GGA）和Tran-Blaha改进的Becke–Johnson（TB-mBJ）势。我们得到了TiCoAs的带隙为1.1889 eV，TiRhAs的带隙为1.0338 eV，两者均无磁矩。此外，我们对输运性质的计算显示，在1000 K时，TiCoAs和TiRhAs的ZT值分别为0.68和0.45。光学性质分析表明，这两种HH合金在可见光-紫外范围内具有中等的光学吸收，吸收系数约为10^4 cm^-1，与典型的III-V族半导体相当，且能量损失较低。
本文结构如下：第2节讨论了研究中使用的计算方法。第3.1节和第3.2节分别讨论了HH材料的结构性质和机械性质。第3.3节研究了TiXAs（X = Co, Rh）的热力学性质，第3.4节和第3.5节分别探讨了它们的电学和光学性质。第3.6节研究了热电性质。最后，第4节总结了本文的主要发现。
计算细节
本研究中的计算使用WIEN2k代码中的全势线性化增强平面波（FP-LAPW）[31]方法和DFT进行。首先，我们通过最小化总能量和原子力来进行结构优化，以确定平衡几何结构。使用Perdew等人提出的GGA（PBE）来处理交换-相关能[32]。应用了6.0的RMT × KMAX截断值，其中RMT是最小原子半径，KMAX定义了...
结构性质
如图1所示，所研究的HH合金TiCoAs和TiRhAs的优化结构结晶为立方相，空间群为Fm3¯m。通常，赫斯勒合金的物理性质受其晶体结构的强烈影响。HH化合物可以根据原子排列和晶格参数采用不同的结构配置。TiXAs（X = Co, Rh）HH合金的组成原子具有特定的Wyckoff位置：Ti位于4a（0,0,0），X位于...
结论
本研究使用量子力学模型和密度泛函理论（DFT）研究了HH合金TiXAs（X = Co, Rh）的结构、电学、光学、热力学和热电性质。这些性质通过GGA-PBE和TB-mBJ交换势进行了研究。此外，还使用WIEN2k模拟工具包中的FP-LAPW技术分析了带结构和态密度（DOS）。使用GGA-PBE计算的TiXAs（X = Co, Rh）的带隙为1.3209 eV...
作者贡献声明
普拉蒂克莎·米娜：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。
苏达桑·J.B.：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、软件、概念化。
尼蒂亚南丹·卡纳加拉杰：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、软件。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢印度海得拉巴印度理工学院PARAM SEVA设施在印度政府国家超级计算任务下的支持和资源。PM感谢UGC通过UGC奖学金（参考编号211610188752）提供的财务支持。此外，JBS还想感谢印度拉马普拉姆的SRM IST提供的财务支持，编号为SRM/IST-RMP/RI/004。
