Estudo Ab initio de propriedades físico-químicas de matérias termoelétricos calcogenetos de baixa condutividade térmica do tipo Cu 1-x Ag x YZ 2 (Y = Ga, In; Z = S, Se, Te)

Abstract

Atualmente, os termoelétricos atraem uma atenção cada vez maior por serem capazes de converter diretamente calor em energia elétrica, destacando como fonte de energia limpa. O desempenho desse dispositivo é determinado pela sua figura de mérito (ZT), definida como ZT = σS2T/κ Tot , onde, σ, S, T e κ Tot denotam a condutividade elétrica, coeficiente de Seebeck, temperatura de trabalho em Kelvin e a condutividade térmica total, respectivamente. Materiais termoelétricos com alto valor de ZT demandam alta condutividade elétrica e baixa condutividade térmica. Contudo, a condutividade elétrica, o coeficiente de Seebeck e condutividade térmica estão intimamente relacionados, impondo dificuldades para a obtenção de materiais termoelétricos de alto rendimento. Uma estratégia eficaz para melhorar o desempenho é utilizar de uma engenharia de bandgap, através de técnicas de dopagem, confinamento quântico, entre outras, de modo a aumentar o valor ZT. Além disso, atualmente existe uma busca por materiais termoelétricos, que apresentem baixa condutividade térmica, destacando os calcogenetos ternários e quaternários. Neste sentido, este trabalho apresenta um estudo teórico, através de cálculos de primeiros princípios (ab initio) e baseado na Teoria do Funcional da Densidade (Density Functional Theory - DFT), das propriedades estruturais, eletrônicas e termoelétricas de calcogenetos do tipo Cu 1−x Ag x YZ 2 (Y = Ga, In; Z = S, Se, Te). Suas propriedades termoelétricas foram estudadas através da teoria de Boltzmann na aproximação do tempo de relaxação e da banda rígida. Observou-se que os parâmetros de rede possuem comportamento de crescimento linear com relação ao aumento da concentração x do átomo de prata. Além disso, os resultados teóricos para as propriedades termoelétricas mostraram boa concordância com medidas experimentais para intervalos específicos de temperatura. Palavras-chave: Termoelétricos. Calcogenetos. Primeiros princípios.Currently, thermoelectric materials have attracted attention due to their ability to directly convert heat into electrical energy, standing out as a source of clean energy. The performance of these devices, at a given temperature T, is determined by the figure of merit (ZT), defined as ZT = σS2T/κTot, where, σ, S, T and κ Tot denote the electrical conductivity, Seebeck coefficient, and total thermal conductivity, respectively. Thermoelectric materials with a high ZT value demand high electrical conductivity and low thermal conductivity. However, electrical conductivity, the Seebeck coefficient and thermal conductivity are closely related, imposing difficulties in obtaining high performance thermoelectric materials. An effective strategy to improve performance is to use bandgap engineering, through doping techniques, quantum confinement, among others, in order to increase the ZT value. In addition, there is currently a search for thermoelectric materials that have low thermal conductivity, highlighting the ternary and quaternary chalcogenides. Thus, this work presents a theoretical study, through first principles (ab initio) calculations and based on the Density Functional Theory (DFT), of the structural, electronic and thermoelectric properties of the chalcogenides Cu 1−x Ag x YZ 2 (Y = Ga, In; Z = S, Se, Te). Its thermoelectric properties were studied through Boltzmann's theory within relaxation time and the rigid band approximations. It was observed that the lattice parameters show a linear growth behavior in relation to the increase in the concentration x of the silver dopant. Furthermore, theoretical results for the thermoelectric properties showed good agreement with experimental measurements in certain temperature ranges. Keywords: Thermoeletric. Chalcogenides. First principle