Tegangan Tarik Biaxial Meningkatkan Performa Termoelektrik Monolayer InSe

Abstrak

Teknik tegangan menawarkan jalan praktis untuk menyesuaikan sifat fisik materi dua dimensi (2D) karena fleksibilitas luar biasa mereka. Dalam studi ini, kami secara sistematis menyelidiki bagaimana tegangan tarik biaxial mempengaruhi sifat elektronik, fononik, dan termoelektrik monolayer InSe menggunakan perhitungan first-principles. Kami menemukan bahwa penerapan tegangan hingga 6 % mengurangi konduktivitas termal jaringan dari 25,9 ke 13,1 W m⁻¹ K⁻¹ dengan memperkuat pencaran fonon anharmonik, menurunkan kecepatan grup fonon, dan mengurangi kapasitas panas. Akibatnya, angka kemuliaan termoelektrik ZT secara signifikan meningkat, menunjukkan bahwa tegangan tarik adalah strategi efektif untuk meningkatkan performa termoelektrik InSe.

Pendahuluan

Sejak penemuan grafen, semiconductor dua dimensi telah menarik minat penelitian intens karena sifat elektronik, optik, dan mekanikal yang luar biasa. Secara khusus, monolayer kalkogenida logam telah muncul sebagai calon yang menjanjikan untuk nanoelektronika dan nanofotonika [1–4]. Selenida indium (InSe) adalah senyawa berlapis III–VI yang baru-baru ini menarik perhatian karena mobilitas penguat yang tinggi, fleksibilitas mekanikal yang kuat, dan potensi dalam perangkat optoelektronik. Upaya eksperimental telah berhasil memproduksi monolayer dan beberapa lapis InSe melalui rute fisik (misalnya, eksfoliasi mekanik, epitaksi aliran molekular) [5–10] dan kimia [11–14], dan menunjukkan keakuratannya dalam sensor [15], fotodetektor, dan transistor efek lapangan [5,6,16,17].

Tidak seperti banyak semiconductor 2D lainnya, InSe menunjukkan struktur pita energi yang khas dengan maksimum pita valensi datar dan minimum pita konduksi parabolik, yang bersama-sama memberinya koefisien Seebeck yang tinggi dan faktor daya yang menguntungkan [18,19]. Namun, konduktivitas termal jaringannya tetap modest, terletak antara grafen dan monolayer SnSe [18,19]. Kombinasi konduktivitas listrik yang tinggi dan konduktivitas termal yang rendah membuat InSe menjadi calon yang menarik untuk aplikasi termoelektrik.

Fleksibilitas mekanis memungkinkan monolayer InSe untuk menampung tegangan biaxial atau uniaxial yang besar tanpa kegagalan struktural, memungkinkan penyesuaikan berkelanjutan sifat elektronik dan fononik [20–22]. Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa tegangan kompresi dapat menyelaraskan lembah pita konduksi dan meningkatkan faktor daya [23], sementara tegangan tarik diharapkan memodifikasi struktur pita energi dan dinamika jaringan, meski dengan cara yang spesifik untuk setiap materi. Dalam karya ini, kami menggunakan teori fungsional kepadatan dan perhitungan transportasi fonon untuk mengeksplorasi bagaimana tegangan tarik biaxial mempengaruhi struktur pita energi, transportasi penguat, dan konduktivitas termal jaringan monolayer InSe, serta mengevaluasi dampak yang enak pada angka kemuliaan termoelektrik.

Metodologi

Perhitungan first-principles dilakukan menggunakan paket simulasi ab initio Vienna (VASP) [24–26] dengan metode gelombang augmenter proyektor (PAW) dan pendekatan kepadatan lokal (LDA) [27–29]. Jarak vakum 12 Å sepanjang sumbu c menghilangkan interaksi antar lapis palsu. Untuk relaksasi struktural, kami menggunakan jaringan titik k 21 × 21 × 1, sementara properti elektronik dihitung pada jaringan yang lebih padat 31 × 31 × 1. Potongan gelombang datar diatur ke 500 eV, dan ambang konvergensi adalah 10⁻⁴ eV untuk energi total dan 10⁻³ eV Å⁻¹ untuk gaya.

Koefisien transportasi elektronik diperoleh dalam pendekatan waktu relaksasi konstan menggunakan BoltzTraP [30,31]. Koefisien Seebeck S, konduktivitas listrik σ, dan konduktivitas termal elektronik κₑ diturunkan dari fungsi distribusi transportasi seperti yang dijelaskan dalam persamaan (1)–(3). Waktu relaksasi penguat τ diperkirakan dari teori deformasi potensial [43,44], di mana mobilitas μ terkait dengan modul elastis C, konstanta deformasi potensial E₁, dan massa efektif m*. Untuk setiap status tegangan, kami mengekstrak C dari turunan kedua energi total terhadap tegangan dan E₁ dari pergeseran tepi pita energi.

Transportasi fonon ditangani dengan ShengBTE [32], yang menyelesaikan persamaan transportasi Boltzmann untuk fonon. Konstanta gaya harmonik dihitung melalui teori peubah fungsional kepadatan pada sel super 5 × 5 × 1, sedangkan konstanta gaya anharmonik diperoleh dengan metode perbedaan hingga pada sel super 4 × 4 × 1. Relasi dispersi fonon dihasilkan menggunakan Phonopy [35].

Hasil dan Pembahasan

Struktur Kristal dan Geometri Tegangan

Dalam konfigurasi yang direlaks, monolayer InSe terdiri dari sandwich Se–In–In–Se yang membentuk jaringan sarang lebah. Konstanta jaringan seimbang adalah a₀ = 3,95 Å. Tegangan tarik biaxial δ = (a − a₀)/a₀ × 100 % diterapkan sambil mempertahankan simetri kristal. Tegangan meningkatkan panjang ikatan In–Se dan sudut ikatan In–Se–In (lihat Gambar 1b).

a Tampilan atas dan sisi monolayer InSe. Bola pink dan hijau masing-masing mewakili atom In dan Se. b Variasi panjang ikatan dan sudut ikatan seiring bertambahnya tegangan tarik biaxial. Sel unit dasar a₀ × a₀ dan sel super x × y monolayer InSe ditandai dengan garis putus merah dan biru, masing-masing

Struktur Pita Energi Elektronik

Monolayer tanpa tegangan adalah semiconductor tidak langsung dengan jarak energi 1,67 eV, minimum pita konduksi terletak pada Γ dan maksimum pita valensi antara Γ dan K. Pita valensi menunjukkan dispersi topi Meksiko, ciri khas dari banyak semiconductor 2D [36–39]. Tegangan tarik menurunkan minimum pita konduksi lebih kuat daripada pita valensi, mengurangi jarak energi. Pada 6 % tegangan, jarak energi menyempit secara signifikan, dan penyelarasan lembah pita konduksi dipadatkan, meningkatkan pemisahan energi antara lembah.

Struktur pita energi monolayer InSe dalam berbagai kondisi tegangan

Koefisien Transportasi

Menggunakan struktur pita energi yang dihitung, kami menghitung koefisien Seebeck S(μ) sebagai fungsi potensi kimia pada 300 K. Nilai maksimum S berkurang dengan tegangan, yang mencerminkan jarak energi yang berkurang. Konduktivitas listrik σ/τ mengikuti konsentrasi penguat, dan dengan waktu relaksasi yang diuraikan di atas, σ meningkat untuk sistem yang terp-doping berat di bawah tegangan, karena mobilitas lubang yang ditingkatkan. Konduktivitas termal elektronik κₑ mematuhi hukum Wiedemann–Franz. Faktor daya yang enak PF = S²σ/τ menunjukkan penurunan ringan dengan tegangan, seperti diilustrasikan pada Gambar 3d.

a Koefisien Seebeck, b konduktivitas listrik, c konduktivitas termal elektronik, d faktor daya monolayer InSe sebagai fungsi potensi kimia pada 300 K saat berbagai tegangan biaxial diterapkan

Konduktivitas Termal Fonon

Konduktivitas termal jaringan κₗ dihitung dari persamaan Boltzmann fonon. Dalam kasus tanpa tegangan κₗ = 25,9 W m⁻¹ K⁻¹ pada 300 K, sesuai dengan pekerjaan sebelumnya [19]. Penerapan 6 % tegangan tarik membagi κₗ menjadi 13,1 W m⁻¹ K⁻¹. Pengurangan berasal dari tiga efek yang saling terkait: (i) peningkatan laju pencaran fonon anharmonik, (ii) penurunan kecepatan grup fonon—terutama pada cabang akustik longitudinal dan transversal—dan (iii) penurunan kapasitas panas fonon karena mode ZA yang lunak dan padat keadaan yang berkurang. Gambar 4c menunjukkan dispersi fonon; cabang ZA berevolusi dari kuadratik menjadi hampir linier, dan mode optik bergeser ke frekuensi yang lebih rendah di bawah tegangan.

a Efek tegangan biaxial yang dihitung pada konduktivitas termal jaringan pada berbagai suhu. b Kontribusi cabang ZA, TA, LA, dan semua cabang optik terhadap konduktivitas termal jaringan untuk sistem tanpa tegangan dan dengan tegangan 6 %. c Kurva dispersi fonon monolayer InSe untuk berbagai tegangan

Angka Kemuliaan

Menggabungkan kontribusi elektronik dan jaringan menghasilkan angka kemuliaan termoelektrik ZT = S²σT/(κₑ + κₗ). Pada 300 K, puncak ZT monolayer tanpa tegangan adalah 0,36. Di bawah 6 % tegangan, puncak naik menjadi 0,52, mencerminkan peran dominan dari konduktivitas termal jaringan yang berkurang. Hasil kami menunjukkan bahwa tegangan tarik biaxial adalah jalan yang viable untuk meningkatkan efisiensi termoelektrik InSe.

Angka kemuliaan yang dihitung monolayer InSe sebagai fungsi potensi kimia di bawah berbagai tegangan

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan melalui perhitungan first-principles bahwa tegangan tarik biaxial secara signifikan meningkatkan performa termoelektrik monolayer InSe. Tegangan mengurangi jarak energi dan sedikit menurunkan koefisien Seebeck, tetapi secara bersamaan meningkatkan pencaran fonon anharmonik, mengurangi kecepatan grup fonon dan kapasitas panas, dan memotong konduktivitas termal jaringan hampir 50 %. Efek bersih adalah angka kemuliaan yang meningkat, menunjukkan bahwa teknik tegangan dapat mengubah InSe menjadi materi termoelektrik yang menjanjikan.

Ketersediaan Data dan Bahan

Dataset yang dihasilkan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis yang bertanggung jawab atas permintaan.

Singkatan

2D

Dua dimensi

CBM

Minimum pita konduksi

τ

Waktu relaksasi

C_ph

Kapasitas panas fonon

FET

Transistor efek lapangan

LA

Dispersi fonon akustik longitudinal

PF

Faktor daya

S

Koefisien Seebeck

TA

Dispersi fonon akustik transversal

VBM

Maksimum pita valensi

ZA

Dispersi fonon akustik sumbu z

ZT

Angka kemuliaan

ε_f

Tingkat Fermi

Κ_e

Konduktivitas termal dengan kontribusi dari penguat elektronik

Κ_l

Konduktivitas termal dengan kontribusi dari jaringan

σ

Konduktivitas listrik