FIRST-PRINCIPLES CALCULATIONS ON THE ELECTRONIC STRUCTURE, MECHANICAL, VIBRATIONAL, AND THERMAL PROPERTIES OF THE Ca₃BiN ANTIPEROVSKITE ALLOY

Author

Reem Maher Mohamad, United Arab Emirates UniversityFollow

Date of Award

2-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Physics

Department

Physics

Abstract

Antiperovskites are the counterparts of perovskites. They have diverse properties that make them physically rich and technologically relevant. In the recent years, the alkaline earth based antiperovskites, especially the ones with small semiconductor bandgap, have captured tremendous attention due to their properties which make them efficient to be used in optoelectronic and thermoelectric applications. In this thesis, we are shading light on the alkaline antiperovskite 𝐶𝑎₃𝐵𝑖𝑁 due to its narrow bandgap. Thus, it can be considered as a promising candidate for thermoelectric and optoelectronic applications. Specifically, it is used to harvest waste thermal energy into electricity at low temperature gradients. To investigate the efficiency of the 𝐶𝑎₃𝐵𝑖𝑁 alloy as a thermoelectric material, an overall study on the various properties of this material has been done in this research. To unveil its properties, we relied on the density functional theory to do the computational work using Wien2k, VASP, and the Phonopy software. The study included the lattice dynamics, structural, elastic, electronic, thermodynamic, thermoelectric, and optical properties of the antiperovskite 𝐶𝑎₃𝐵𝑖𝑁 alloy. The study revealed that 𝐶𝑎₃𝐵𝑖𝑁 has a stable structure, it is a brittle material, and it is resistive to plastic deformation. It has a bandgap of 0.61 eV using HSE06 exchange correlation which reveals that it is a p-type semiconductor. It has low thermal conductivity, yet high Seebeck coefficient and relatively high electric conductivity which indicates that it has high value of figure of merit. The value of figure of merit has been calculated, and it goes higher ~1 as the temperature goes toward 1000K and the concentration of charge carries goes higher ~1020 𝑐𝑚⁻³. By studying the optical properties, it is revealed that the 𝐶𝑎₃𝐵𝑖𝑁 antiperovskite alloy is active in the visible to the ultraviolet regions of the spectrum.

Arabic Abstract

تعتبر مجموعة مركبات الأنتيبروفسكايت نظيراً لمركبات البيروفسكايت حيث أنهما يتشابهان بالهيكل لكن يختلفان بالتركيب الإلكتروني. حظيت مجموعة الأنتيبروفسكايت بشهرة واسعة في مجال البحث العلمي بسبب خصائصها التي تميزها عن باقي المركبات وتجعلها مناسبة للتطبيقات الكهروحرارية والإلكتروضوئية. إن أحد أشهر مركبات البيروفسكايت، هي تلك التي تركب من الفلزات القلوية الترابية حيث أنها تمتلك فجوة طاقة ضئيلة تجعلها تصنف من أشباه الموصلات. صغر سعة فجوة الطاقة لهذه المركبات يؤهلها لتعتمد في التطبيقات الكهروحرارية والإلكتروضوئية. في هذا البحث، سنسلط الضوء على مركب الأنتيبروفسكايت 𝐶𝑎₃𝐵𝑖𝑁. بسبب امتلاكه لفجوة طاقة ضئيلة، قد يكون هذا المركب مؤهلاً لجمع الطاقة الحرارية المبددة وتحويلها إلى كهرباء. لدراسة فعالية هذا المركب في التطبيقات الكهروحرارية، تمت دراسة خصائص هذا المركب والتي تشمل: الخصائص الديناميات الهيكلية، الخصائص الهيكلية، الخصائص المرنة، الخصائص الديناميكية الحرارية، الخصائص الإلكترونية، الخصائص الكهروحرارية، والخصائص البصرية. عن طريق تطبيق نظرية الدالة الوظيفية للكثافة حاسوبيا،ً تم دراسة خصائص المركب. تم استخدام ثلاثة برمجيات لدراسة هذه الخصائص والتي هي VASP، Wien2k و Phonopy. من خلال هذه الدراسة، تم التوصل إلى أن تركيب بلورة 𝐶𝑎₃𝐵𝑖𝑁 يعتبر مستقراً. كما وأن المركب الصلب يعتبر هشا لكن مقاوما لتشوه البلاستيك. تم حساب فجوة الطاقة عن طريق استخدام دالة HSE60 وهي تساوي eV 0.61 والتي تكشف أيضا عن كون هذا المركب شبه موصل p-type. بالإضافة إلى ذلك، تم ملاحظة أن المركب يتمتع بتوصيل حراري ضئيل بينما يمتلك توصيل كهربائي عالي والذي يرجح أن هذا المركب يمتلك كفاءة عالية Figure of merit. أيضا،ً تم حساب كفاءة المركب والتي تبين أنها تزيد عندما يزيد تركيز حاملات الشحنات إلى تقريبا 10²⁰cm^-3 وتزيد درجة الحرارة إلى 1000K. تم أيضا دراسة الخصائص البصرية للمركب والتي تكشف عن أن المركب نشط في بين الضوء المرئي وفوق البنفسجي.

Recommended Citation

Mohamad, Reem Maher, "FIRST-PRINCIPLES CALCULATIONS ON THE ELECTRONIC STRUCTURE, MECHANICAL, VIBRATIONAL, AND THERMAL PROPERTIES OF THE Ca₃BiN ANTIPEROVSKITE ALLOY" (2023). Theses. 1079.
https://scholarworks.uaeu.ac.ae/all_theses/1079