우리 연구집단은 밀도함수리론(DFT)과 상수완화시간근사에서 준고전적인 볼쯔만수송리론을 리용하여 Fe2TiSn의 성분들에 대하여 Ge이나 Pb, Si와 같은 4족원소들을 부분적으로 교체하였을 때의 열전특성들의 변화들을 비교하고 열전성능을 개선하는데 보다 적합한 교체원소를 찾아내였으며 교체원소들을 선택하는 방법을 제공하여 개선된 열전재료의 제작과 응용에 기여하였다.
이를 위하여 우리는 16개의 원자들로 이루어진 단위세포(Fe8Ti4Sn4: 공간군 No.225; Fm-3m)를 리용하였다. 이 세포의 원시세포는 (1/4,1/4,1/4)와 (3/4,3/4,3/4)에 있는 4개의 Fe원자들과 (0,0,0)에 있는 한개의 Ti원자, (1/2,1/2,1/2)에 있는 한개의 Sn원자로 구성된 면심립방살창이다. 비화학량론적인 화합물 Fe8Ti4Sn3M (M=Si, Ge, Pb)들에 대한 합금화는 Sn의 자리들에서 M을 부분적으로 교체하여 실현하였다.
위치선호성, 상안정성, 탄성성질들, 에네르기띠와 상태밀도는 VASP모의계산프로그람에서 평면파사영자증대방법(plane-wave projector-augmented method)으로 계산하였다. 리용된 교환상관에네르기는 일반화된 경사도근사(GGA)의 Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)형식이다.
열전성질들은 BoltzTrap프로그람으로 준고전적인 볼쯔만수송공식을 리용하여 굳은 띠근사(rigid band approximation)에서 계산하였다. p-형과 n-형재료를 얻기 위하여 페르미준위를 변화시켜 혼입물첨가준위들을 평가하였다.
얻어진 연구결과는 모든 교체원소들이 Sn의 자리에서 강한 열동력학적선호성을 가지며 Fe2TiSn화합물의 안정성 및 력학적성질에는 큰 영향을 주지 않는다는것을 보여주었다.
또한 전자띠구조와 상태밀도들에 대한 연구를 통하여 이 재료들이 금지띠너비가 작은 반도체들이며 열전재료로서 적합한 전기적성질들을 가진다는것을 알수 있었다. 이와 함께 이 재료들에 대한 열전계산들은 이 재료들에서 n-형혼입물첨가가 우월하다는것을 보여주었으며 제베크곁수와 성능평가지수 ZT를 평가한 결과 Si원소와 Ge원소를 부분적으로 교체하는것이 열전특성을 개선하는데서 가장 적합할수 있다는것을 알수 있었다.
이 연구결과는 잡지 《Modern Physics Letter B》에 《Theoretical Study on the Change of Thermoelectric Properties by Substitution of group 4 Elements in Fe2TiSn》(https://doi.org/10.1142/S0217984921500470)의 제목으로 발표되였다.
