Investigation of novel crystal structures of Bi–Sb binaries predicted using the minima hopping method

文献情報

出版日 2016-09-12
DOI 10.1039/C6CP05401C
インパクトファクター 3.676
著者

Sobhit Singh, Wilfredo Ibarra-Hernández, Guillermo Avendaño-Franco, Aldo H. Romero


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要旨

Semi-conducting alloys BixSb1−x have emerged as a potential candidate for topological insulators and are well known for their novel thermoelectric properties. In this work, we present a systematic study of the low-energy phases of 35 different compositions of BixSb1−x (0 < x < 1) at zero temperature and zero pressure. We explore the potential energy surface of BixSb1−x as a function of Sb concentration by using the ab initio minima hopping structural search method. Even though Bi and Sb crystallize in the same Rm space group, our calculations indicate that BixSb1−x alloys can have several other thermodynamically stable crystal structures. In addition to the configurations on the convex hull, we find a large number of metastable structures which are dynamically stable. The electronic band structure calculations of several stable phases reveal the presence of strong spin–orbit interaction leading to the Rashba–Dresselhaus spin-splitting of bands which is of great interest for spintronics applications. We also find an orthorhombic structure of BiSb in the Imm2 space group which exhibits signatures of type-II Weyl semimetal. Additionally, we have studied the thermoelectric properties of the selected structures. Regarding thermoelectric properties, we find that the compositions which crystallize in the rhombohedral structure exhibit values of the Seebeck coefficient and the power factor similar to that of Bi2Te3 at room temperature, while the theoretical maximum figure of merit (ZeT) is smaller than that of Bi2Te3. We observe enhancement in the thermopower with the increase in the strength of the Rashba–Dresselhaus spin-splitting effect.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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