Biaxiale Trekspanning Verbetert Thermoelectrische Prestaties van InSе Monolaag

Samenvatting

Spanningsengineering biedt een praktische route om de fysieke eigenschappen van twee-dimensionale (2D) materialen af te stemmen vanwege hun uitzonderlijke flexibiliteit. In deze studie onderzoeken we systematisch hoe biaxiale trekspanning de elektronische, fononische en thermo-elektrische eigenschappen van een InSe monolaag beïnvloedt met behulp van eerste-principes berekeningen. We vinden dat het toepassen van tot 6 % spanning de rooster thermische geleidbaarheid vermindert van 25,9 tot 13,1 W m⁻¹ K⁻¹ door anharmonische fononverstrooiing te versterken, fonongroepsnelheden te verlagen en warmtecapaciteit te verminderen. Gevolgen is de thermo-elektrische figuur van waardigheid ZT aanzienlijk verbeterd, wat aantoont dat trekspanning een effectieve strategie is voor het verbeteren van InSe's thermo-elektrische prestaties.

Inleiding

Sinds de ontdeking van grafeen hebben twee-dimensionale halfgeleiders intense onderzoeksbelang getrokken voor hun opmerkelijke elektronische, optische en mechanische eigenschappen. Metaal-chalcogenide monolagen zijn in het bijzonder veelbelovende kandidaten voor nano-elektronica en nano-fotonica [1–4]. Indium selenide (InSe) is een III-VI gelaagd verbinding dat recentelijk aandacht heeft getrokken vanwege zijn hoge drager-mobiliteit, robuuste mechanische flexibiliteit en potentieel in opto-elektronische apparaten. Experimentele inspanningen hebben met succes monolaag en weinig-laag InSe geproduceerd via zowel fysieke (bijv. mechanische exfoliatie, moleculaire bundel epitaxie) [5–10] als chemische routes [11–14], en hun toepasbaarheid gedemonstreerd in sensoren [15], fotodetectoren en veld-effect-transistoren [5,6,16,17].

In tegenstelling tot veel andere 2D halfgeleiders vertoont InSe een karakteristieke bandstructuur met een plat valentiebandmaximum en een parabolisch geleidingsbandminimum, wat samen een hoge Seebeck-coëfficiënt en gunstige vermogensfactor oplevert [18,19]. De rooster thermische geleidbaarheid is echter matig, liggend tussen die van grafeen en SnSe monolagen [18,19]. De combinatie van hoge elektrische geleidbaarheid en lage thermische geleidbaarheid maakt InSe een aantrekkelijke kandidaat voor thermo-elektrische toepassingen.

Mechanische flexibiliteit stelt InSe monolagen in staat aanzienlijke biaxiale of uniaxiale spanning te accommoderen zonder structurele falen, wat continue afstemming van elektronische en fononische eigenschappen mogelijk maakt [20–22]. Eerdere studies hebben getoond dat drukkingspanning geleidingsband-vallei kan convergeren en de vermogensfactor verhogen [23], terwijl trekspanning verwacht wordt zowel bandstructuur als roosterdynamica te wijzigen, hoewel op een materiaal-specifieke manier. In dit werk gebruiken we dichtheidsfunctionaaltheorie en fonontransportberekeningen om te verkennen hoe biaxiale trekspanning de elektronische structuur, dragertransport en rooster thermische geleidbaarheid van InSe monolagen beïnvloedt, en om de resulterende impact op de thermo-elektrische figuur van waardigheid te evalueren.

Methodologie

Eerste-principes berekeningen werden uitgevoerd met behulp van de Vienna ab initio Simulatiepakket (VASP) [24–26] met de projector-geaugmenteerde-golf (PAW) methode en de lokale dichtheidsbenadering (LDA) [27–29]. Een vacuümruimte van 12 Å langs de c-as elimineert ongewone inter-laag interacties. Voor structurele ontspanning gebruikten we een 21 × 21 × 1 k-punt rooster, terwijl elektronische eigenschappen berekend werden op een dichter 31 × 31 × 1 mesh. Vlakke-golf afsnij was ingesteld op 500 eV, en convergentiedrempels waren 10⁻⁴ eV voor totale energie en 10⁻³ eV Å⁻¹ voor krachten.

Elektronische transportcoëfficiënten werden verkregen binnen de constante-ontspanningstijd benadering met behulp van BoltzTraP [30,31]. De Seebeck-coëfficiënt S, elektrische geleidbaarheid σ en elektronische thermische geleidbaarheid κₑ worden afgeleid van de transportdistributiefunctie zoals beschreven in vergelijkingen (1)–(3). Drager-ontspanningstijden τ werden geschat vanuit de vervormingspotentiaaltheorie [43,44], waar de mobiliteit μ gerelateerd is aan de elastische modulus C, vervormingspotentiaalconstante E₁ en effectieve massa m*. Voor elke spanningstoestand extraheerden we C uit de tweede afgeleide van de totale energie ten opzichte van spanning en E₁ uit de verschuiving van bandranden.

Fonontransport werd behandeld met ShengBTE [32], wat de Boltzmann transportvergelijking voor fononen oplost. Harmonische krachtconstanten werden berekend via dichtheidsfunctionele perturbatietheorie op een 5 × 5 × 1 supercel, terwijl anharmonische krachtconstanten verkregen werden met een eindige-differentie methode op een 4 × 4 × 1 supercel. Fonondispersierelaties werden gegenereerd met Phonopy [35].

Resultaat en Discussie

Kristalstructuur en Spanningsgeometrie

In de ontspannen configuratie bestaat de InSe monolaag uit een Se–In–In–Se sandwich die een honingraatrooster vormt. De evenwichtsroosterconstante is a₀ = 3,95 Å. Biaxiale trekspanning δ = (a − a₀)/a₀ × 100 % werd toegepast terwijl de kristalsymmetrie behouden bleef. Spanning verhoogt de In–Se bindinglengte en de In–Se–In bindingshoek (zie Fig. 1b).

a Bovenopzicht en zijaanzicht van monolaag InSe. Roze en groene ballen vertegenwoordigen In en Se atomen, respectievelijk. b De variatie van bindinglengte en bindingshoek met de toename van biaxiale trekspanning. De basis a₀ × a₀ eenheidscel en x × y supercel van InSe monolaag worden aangeduid met rode en blauwe gestippelde lijnen, respectievelijk

Elektronische Bandstructuur

De ongespannen monolaag is een indirecte halfgeleider met een 1,67 eV gat, het geleidingsbandminimum gelokaliseerd op Γ en het valentiebandmaximum tussen Γ en K. De valentieband vertoont een Mexicaanse-hoed dispersie, een kenmerk van veel 2D halfgeleiders [36–39]. Trekspanning verlaagt het geleidingsbandminimum sterker dan de valentieband, wat het bandgat verkleint. Bij 6 % spanning verliest het gat aanzienlijk, en geleidingsband-vallei convergentie wordt onderdrukt, wat de energiescheiding tussen valleien vergroot.

Bandstructuur van InSe monolaag onder verschillende spanningscondities

Transportcoëfficiënten

Met behulp van de berekende elektronische structuur berekenden we de Seebeck-coëfficiënt S(μ) als functie van chemisch potentieel bij 300 K. De maximum S neemt af met spanning, wat de verminderde bandgat weerspiegelt. De elektrische geleidbaarheid σ/τ volgt de dragerconcentratie, en met de ontspanningstijden afgeleid hierboven, neemt σ toe voor zwaar p-gedopte systemen onder spanning, ten gevolge van verhoogde gatmobiliteit. De elektronische thermische geleidbaarheid κₑ gehoorzaamt de Wiedemann-Franz wet. De resulterende vermogensfactor PF = S²σ/τ toont een lichte afname met spanning, geïllustreerd in Fig. 3d.

a Seebeck-coëfficiënt, b elektrische geleidbaarheid, c elektronische thermische geleidbaarheid, d vermogensfactor van de monolaag InSe als functie van chemisch potentieel bij 300 K wanneer verschillende biaxiale spanning wordt toegepast

Fonon Thermische Geleidbaarheid

Rooster thermische geleidbaarheid κₗ werd berekend vanuit de fonon Boltzmann vergelijking. In het ongespannen geval κₗ = 25,9 W m⁻¹ K⁻¹ bij 300 K, in overeenstemming met eerdere werk [19]. Het toepassen van 6 % trekspanning halveert κₗ tot 13,1 W m⁻¹ K⁻¹. De reductie ontstaat uit drie verweven effecten: (i) verhoogde anharmonische fononverstrooiingssnelheden, (ii) verlaagde fonongroepsnelheden—vooral in de longitudinale en transversale akoestische takken—en (iii) verlaagde fononwarmtecapaciteit door een verzachte ZA-modus en verminderde dichtheid van toestanden. Figuur 4c toont de fonondispersies; de ZA-tak evolueert van kwadratisch naar bijna lineair, en optische modussen verschuiven naar lagere frequenties onder spanning.

a Berekende biaxiale spanningseffecten op rooster thermische geleidbaarheid bij verschillende temperaturen. b Bijdrage van de ZA, TA, LA en alle optische takken tot de rooster thermische geleidbaarheid voor ongespannen en 6 % gespannen systemen. c De fonondispersiecurves van de monolaag InSe voor verschillende spanningen

Figuur van Waardigheid

Door de elektronische en roosterbijdragen te combineren, verkrijgen we de thermo-elektrische figuur van waardigheid ZT = S²σT/(κₑ + κₗ). Bij 300 K is de piek ZT van de ongespannen monolaag 0,36. Onder 6 % spanning stijgt de piek naar 0,52, wat de dominante rol van de verminderde rooster thermische geleidbaarheid weerspiegelt. Onze resultaten suggereren dat biaxiale trekspanning een haalbare route is om InSe's thermo-elektrische efficiëntie te verhogen.

Berekende figuur van waardigheid van monolaag InSe als functie van chemisch potentieel onder verschillende spanning

Conclusie

We hebben aangetoond via eerste-principes berekeningen dat biaxiale trekspanning de thermo-elektrische prestaties van InSe monolagen aanzienlijk verbetert. Spanning vermindert het bandgat en verlaagt de Seebeck-coëfficiënt licht, maar versterkt tegelijkertijd anharmonische fononverstrooiing, vermindert fonongroepsnelheden en warmtecapaciteit, en halveert de rooster thermische geleidbaarheid. Het netto effect is een verhoogde figuur van waardigheid, wat aangeeft dat spanningsengineering InSe kan omzetten in een veelbelovend thermo-elektrisch materiaal.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

De datasets gegenereerd en/of geanalyseerd tijdens de huidige studie zijn beschikbaar bij de corresponderende auteur op verzoek.

Afkortingen

2D

Twee-dimensionaal

CBM

Geleidingsbandminimum

τ

Ontspanningstijd

C_ph

Fonon warmtecapaciteit

FET

Veld-effect-transistor

LA

Longitudinale akoestische fonondispersie

PF

Vermogensfactor

S

Seebeck-coëfficiënt

TA

Transversale akoestische fonondispersie

VBM

Valentiebandmaximum

ZA

z-as akoestische fonondispersie

ZT

Figuur van waardigheid

ε_f

Fermi-niveau

Κ_e

De thermische geleidbaarheid met bijdragen van elektronische dragers

Κ_l

De thermische geleidbaarheid met bijdragen van rooster

σ

Elektrische geleidbaarheid