Biaxiale Zugspannung verbessert thermoelektrische Leistung von InSe-Monolagen

Zusammenfassung

Spannungsengineering bietet praktischen Weg, physikalische Eigenschaften zweidimensionaler (2D) Materialien anzupassen, dank ihrer außergewöhnlichen Flexibilität. In dieser Studie untersuchen wir systematisch, wie biaxiale Zugspannung elektronische, phononische und thermoelektrische Eigenschaften einer InSe-Monolage mittels First-Principles-Berechnungen beeinflusst. Wir finden, dass bis zu 6 % Spannung die Gitter-Wärmeleitfähigkeit von 25,9 auf 13,1 W m⁻¹ K⁻¹ reduziert, indem anharmonische Phononenstreuung verstärkt, Phononengruppen-geschwindigkeiten verringert und Wärmekapazität gesenkt wird. Folglich wird der thermoelektrische Figure-of-Merit ZT signifikant gesteigert, was zeigt, dass Zugspannung effektive Strategie zur Verbesserung von InSe's thermoelektrischer Leistung ist.

Einleitung

Seit Entdeckung von Graphen ziehen zweidimensionale Halbleiter intensives Forschungsinteresse für bemerkenswerte elektronische, optische und mechanische Eigenschaften an. Metall-Chalkogenid-Monolagen haben sich als vielversprechende Kandidaten für Nanoelektronik und Nanophotonik etabliert [1–4]. Indiumselenid (InSe) ist ein III-VI Schichtverbindung, das kürzlich Aufmerksamkeit erregte wegen hoher Ladungsträgermobilität, robuster mechanischer Flexibilität und Potenzial in optoelektronischen Geräten. Experimentelle Bemühungen fertigten Monolagen und Few-Layer InSe erfolgreich via physikalische (mechanische Exfoliation, Molekularstrahlepitaxie) [5–10] und chemische Wege [11–14] an, demonstrierten Anwendbarkeit in Sensoren [15], Photodetektoren und Feldeffekttransistoren [5,6,16,17].

Anders als viele andere 2D-Halbleiter weist InSe charakteristische Bandstruktur auf: flaches Valenzbandmaximum und parabolisches Leitungsbandminimum, was hohen Seebeck-Koeffizienten und günstigen Power Factor verleiht [18,19]. Gitter-Wärmeleitfähigkeit liegt jedoch bescheiden zwischen Graphen und SnSe-Monolagen [18,19]. Kombination hoher elektrischer Leitfähigkeit und niedriger Wärmeleitfähigkeit macht InSe attraktiv für thermoelektrische Anwendungen.

Mechanische Flexibilität erlaubt InSe-Monolagen substantial biaxiale oder uniaxiale Spannung ohne strukturelles Versagen, was kontinuierliches Tuning elektronischer und phononischer Eigenschaften ermöglicht [20–22]. Frühere Studien zeigten, dass Druckspannung Leitungsbänder-Täler konvergieren und Power Factor steigern kann [23], während Zugspannung Bandstruktur und Gitterdynamik material-spezifisch modifiziert. In dieser Arbeit nutzen wir Dichtefunktionaltheorie und Phononentransportberechnungen, um zu erforschen, wie biaxiale Zugspannung elektronische Struktur, Ladungsträgertransport und Gitter-Wärmeleitfähigkeit von InSe-Monolagen beeinflusst, und resultierenden Einfluss auf thermoelektrischen Figure-of-Merit zu evaluieren.

Methodik

First-Principles-Berechnungen erfolgten mit Vienna ab initio Simulation Package (VASP) [24–26] mittels Projector-Augmented-Wave (PAW) Methode und Local Density Approximation (LDA) [27–29]. Vakuumabstand 12 Å entlang c-Achse eliminiert spuriose Interlayer-Interaktionen. Für strukturelle Relaxation 21 × 21 × 1 k-Punkt-Gitter, elektronische Eigenschaften auf dichterem 31 × 31 × 1 Mesh. Plane-Wave-Cutoff 500 eV, Konvergenzschwellen 10⁻⁴ eV Gesamtenergie und 10⁻³ eV Å⁻¹ Kräfte.

Elektronische Transportkoeffizienten wurden im Constant-Relaxation-Time-Approximation via BoltzTraP [30,31] erhalten. Seebeck-Koeffizient S, elektrische Leitfähigkeit σ, elektronische Wärmeleitfähigkeit κₑ aus Transportverteilungsfunktion per Gleichungen (1)–(3) hergeleitet. Ladungsträger-Relaxationszeiten τ aus Deformationspotenzialtheorie [43,44] geschätzt, wobei Mobilität μ mit Elastizitätsmodul C, Deformationspotenzialkonstante E₁, effektiver Masse m* verknüpft. Für jeden Spannungszustand extrahierten wir C aus zweiter Ableitung Gesamtenergie nach Spannung und E₁ aus Bandkantenverschiebung.

Phononentransport behandelt mit ShengBTE [32], löst Boltzmann-Transportgleichung für Phononen. Harmonische Kraftkonstanten via Dichtefunktional-Störungstheorie auf 5 × 5 × 1 Superzelle, anharmonische via Finite-Differenzen-Methode auf 4 × 4 × 1 Superzelle. Phononendispersionsrelationen mit Phonopy [35] generiert.

Ergebnisse und Diskussion

Kristallstruktur und Spannungsgeometrie

In relaxierter Konfiguration besteht InSe-Monolage aus Se–In–In–Se Sandwich forming Waben-Gitter. Gleichgewichtsgitterkonstante a₀ = 3,95 Å. Biaxiale Zugspannung δ = (a − a₀)/a₀ × 100 % angewendet bei Erhalt Kristallsymmetrie. Spannung erhöht In–Se Bindungslänge und In–Se–In Bindungswinkel (Abb. 1b).

a Draufsicht und Seitenansicht Monolagen-InSe. Rosa und grüne Kugeln: In und Se Atome. b Bindungslängen- und Bindungswinkelvariation mit steigender biaxialer Zugspannung. Basis a₀×a₀ Elementarzelle und x×y Superzelle InSe-Monolage rot/blau gestrichelt.

Elektronische Bandstruktur

Unbeanspruchte Monolage ist indirekter Halbleiter mit 1,67 eV Lücke, Leitungsbandminimum an Γ, Valenzbandmaximum zwischen Γ und K. Valenzband zeigt Mexican-Hut-Dispersion, Markenzeichen vieler 2D-Halbleiter [36–39]. Zugspannung senkt Leitungsbandminimum stärker als Valenzband, reduziert Bandlücke. Bei 6 % Spannung verengt sich Lücke signifikant, Leitungsbänder-Täler-Konvergenz unterdrückt, Energietrennung zwischen Tälern erhöht.

Bandstruktur InSe-Monolage unter verschiedenen Spannungsbedingungen.

Transportkoeffizienten

Mit berechneter elektronischer Struktur berechneten wir Seebeck-Koeffizient S(μ) als Funktion chemischen Potentials bei 300 K. Maximum S nimmt mit Spannung ab, reflektierend reduzierte Bandlücke. Elektrische Leitfähigkeit σ/τ folgt Ladungsträgerkonzentration, mit oben hergeleiteten Relaxationszeiten steigt σ für stark p-dotierte Systeme unter Spannung, durch erhöhte Lochmobilität. Elektronische Wärmeleitfähigkeit κₑ folgt Wiedemann-Franz-Gesetz. Resultierender Power Factor PF = S²σ/τ zeigt leichte Reduktion mit Spannung (Abb. 3d).

a Seebeck-Koeffizient, b elektrische Leitfähigkeit, c elektronische Wärmeleitfähigkeit, d Power Factor Monolagen-InSe als Funktion chemischen Potentials bei 300 K bei verschiedenen biaxialen Spannungen.

Phononische Wärmeleitfähigkeit

Gitter-Wärmeleitfähigkeit κₗ aus Phonon-Boltzmann-Gleichung berechnet. Unbeansprucht κₗ = 25,9 W m⁻¹ K⁻¹ bei 300 K, konsistent mit Vorarbeiten [19]. 6 % Zugspannung halbiert κₗ auf 13,1 W m⁻¹ K⁻¹. Reduktion stammt aus drei verknüpften Effekten: (i) erhöhte anharmonische Phononenstreuraten, (ii) verringerte Phononengruppen-geschwindigkeiten – besonders in longitudinalen und transversalen akustischen Zweigen – und (iii) gesenkte Phononen-Wärmekapazität durch weicheren ZA-Modus und reduzierte Zustandsdichte. Abb. 4c zeigt Phononendispersionen; ZA-Zweig evolviert von quadratisch zu fast linear, optische Moden verschieben zu niedrigeren Frequenzen unter Spannung.

a Berechnete biaxiale Spannungseffekte auf Gitter-Wärmeleitfähigkeit bei verschiedenen Temperaturen. b Beitrag ZA, TA, LA und aller optischer Zweige zur Gitter-Wärmeleitfähigkeit für unbeanspruchte und 6 % beanspruchte Systeme. c Phononendispersionskurven Monolagen-InSe für verschiedene Spannungen.

Figure of Merit

Kombination elektronischer und Gitterbeiträge liefert thermoelektrischen Figure-of-Merit ZT = S²σT/(κₑ + κₗ). Bei 300 K beträgt Peak-ZT unbeanspruchter Monolage 0,36. Unter 6 % Spannung steigt Peak auf 0,52, reflektierend dominanter Rolle reduzierter Gitter-Wärmeleitfähigkeit. Ergebnisse deuten darauf hin, dass biaxiale Zugspannung gangbarer Weg zur Steigerung von InSe's thermoelektrischer Effizienz ist.

Berechneter Figure of Merit Monolagen-InSe als Funktion chemischen Potentials unter verschiedenen Spannungen.

Fazit

Wir demonstrierten durch First-Principles-Berechnungen, dass biaxiale Zugspannung thermoelektrische Leistung von InSe-Monolagen markant verbessert. Spannung reduziert Bandlücke und senkt Seebeck-Koeffizienten leicht, verstärkt aber gleichzeitig anharmonische Phononenstreuung, verringert Phononengruppen-geschwindigkeiten und Wärmekapazität, halbiert Gitter-Wärmeleitfähigkeit. Nettoeffekt: erhöhter Figure-of-Merit, was zeigt, dass Spannungsengineering InSe in vielversprechendes thermoelektrisches Material verwandeln kann.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Während der Studie generierte/analysierte Datensätze verfügbar vom korrespondierenden Autor auf Anfrage.

Abkürzungen

2D

Zweidimensional

CBM

Leitungsbandminimum

τ

Relaxationszeit

C_ph

Phononen-Wärmekapazität

FET

Feldeffekttransistor

LA

Longitudinaler akustischer Phononenzweig

PF

Power Factor

S

Seebeck-Koeffizient

TA

Transversaler akustischer Phononenzweig

VBM

Valenzbandmaximum

ZA

z-Achsen akustischer Phononenzweig

ZT

Figure of Merit

ε_f

Ferminiveau

Κ_e

Elektronische Beiträge zur Wärmeleitfähigkeit

Κ_l

Gitterbeiträge zur Wärmeleitfähigkeit

σ

Elektrische Leitfähigkeit