Design of Heusler alloys using Co-VB-Sn (VB = V, Nb, Ta) atoms within ab initio calculations for thermoelectric applications

Abstract

Environmentally friendly energetic matrices are essential for sustainable human development. In this perspective, Heusler alloys have shown to be promising materials for thermoelectric applications. This work presents a theoretical study of Co-VB-Sn (VB = V, Nb, Ta) Heusler alloys within the GGA-PBE and hybrid (HSE06) approaches. The cubic (C1b) CoVSn, CoNbSn and CoTaSn Half-Heusler compounds exhibit semiconductor characteristics and a bandgap of 1.33eV, 1.50eV and 1.18 eV, respectively, when Co occupies the Wyckoff 4c site. The cubic (L21) Co2VSn, Co2NbSn and Co2TaSn Full-Heusler are half-metallic compounds with a bandgap of 1.26eV, 0.86eV and1.36 eV. All the systems present a total magnetic moment in agreement with the Slater-Pauling rule. The chemical bonds analyses indicate covalent-polar bonds in the studied alloys. High effective mass was found to semiconductors structures, an excellent result in relation to application as thermoelectric. Using Wannier functions, and based in experimental data present in the literature it was studied the thermoelectric parameters for the CoTaSn alloy. Keywords: Heusler alloys. Co-VB-Sn. Thermoelectric materials. DFT. Effective mass.

Matrizes energéticas ambientalmente amigáveis são essenciais para o desenvolvimento humano sustentável. Nessa perspectiva, as ligas de Heusler têm se mostrado materiais promissores para aplicações termoelétricas. Este trabalho apresenta um estudo teórico das ligas de Heusler Co- VB-Sn (VB = V, Nb, Ta) dentro das abordagens GGA-PBE e híbrido (HSE06). As ligas Half- Heusler cúbica (C1b) CoVSn, CoNbSn e CoTaSn exibe características semicondutoras e um bandgap de 1,33eV, 1,50eV e 1,18 eV, respectivamente, quando o Co ocupa o sítio Wyckoff 4c. As ligas Full-Heusler cúbico (L21) Co2VSn, Co2NbSn e Co2TaSn é um half-metal com um bandgap de 1,26eV, 0,86eV e 1,36 eV. Todos os sistemas apresentam um momento magnético total em concordância com a regra de Slater-Pauling. As análises das ligações químicas indicam ligações covalentes-polares nas ligas estudadas. Grande massas efetivas foram encontradas para as estruturas semicondutoras, um excelente resultado em relação à aplicação como termoelétrico. Usando funções de Wannier, e baseado em dados experimentais presentes na literatura, foram estudados os parâmetros termoelétricos para a liga CoTaSn. Palavras-chave: Ligas Heusler. Co-VB-Sn. Materiais termoelétricos. DFT. Massas efetivas.