[論文レビュー] Design of efficient vdW thermionic heterostructures from first principles

Xiaoming Wang, Mona Zebarjadi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2015

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、グラフェン/ホスホレン/グラフェンのファンデルワールス（vdW）ヘテロ構造が、効率的な熱イオン冷却器としての可能性を提案している。ホスホレン層の数を調整することで、量子トンネル効果から熱イオン輸送へと移行し、600 Kで性能係数（COP）が18.5に達する。これはZT値0.13に相当し、ナノスケール冷却デバイスへの応用において顕著な可能性を示している。

ABSTRACT

This work is the first step towards understanding thermionic transport properties of graphene/phosphorene/graphene van der Waals heterostructures in contact with gold electrodes by using density functional theory based first principles calculations combined with real space Green's function formalism. We show that for monolayer phosphorene in the heterostructure, quantum tunneling dominates the transport. By adding more phosphorene layers, one can switch from tunneling dominated transport to thermionic dominated transport, resulting in transporting more heat per charge carrier, thus, enhancing the cooling coefficient of performance. The thermionic coefficient of performance for the proposed device is 18.5 at 600 K corresponding to an equivalent ZT of 0.13, which is significant for nanoscale devices.

研究の動機と目的

• グラフェン/ホスホレン/グラフェンのファンデルワールスヘテロ構造における熱イオン輸送を、ナノスケール冷却応用を目的として調査すること。
• ホスホレン層の数を変化させることで、量子トンネル効果から熱イオン輸送への移行を特定すること。
• 提案されたヘテロ構造における熱イオン性能係数と同等ZT値を定量的に評価すること。
• 界面結合と電子構造が熱イオン効率を向上させる役割を評価すること。
• 第一原理手法を用いて、効率的な2次元ヘテロ構造ベースの熱イオン冷却器の設計フレームワークを確立すること。

提案手法

• ヘテロ構造の電子構造およびバンド配置を計算するために、密度汎関数理論（DFT）が用いられた。
• 電子輸送特性を計算するために、実空間グリーン関数形式が適用された。
• 輸送メカニズムの層数依存性を調査するために、モノレイヤーからマルチレイヤーのホスホレンをモデル化した。
• 接触効果および界面での熱イオン放出をモデル化するために、金電極がシミュレートされた。
• 性能係数（COP）および同等ZT値を用いて、熱イオン輸送効率が評価された。
• 透過スペクトルおよび電流-電圧特性の比較により、トンネル効果から熱イオン支配への移行が分析された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン/ホスホレン/グラフェンヘテロ構造における輸送メカニズムは、ホスホレン層の数が増加するにつれてどのように変化するか？
• RQ2 高温条件下で、このようなvdWヘテロ構造における最大の熱イオン性能係数はどの程度達成可能か？
• RQ3 2次元ファンデルワールスヘテロ構造において、熱イオン輸送を用いることで、ZT同等値はどの程度向上できるか？
• RQ4 界面結合およびバンド配置は、熱イオン放出および電子透過にどのように影響を与えるか？
• RQ5 第一原理計算は、高効率ナノスケール熱イオン冷却器の実現可能な設計を予測できるか？

主な発見

• ホスホレン層の数が増加するにつれて、モノレイヤーのホスホレンでは量子トンネル効果が支配的から、熱イオン放出へと輸送メカニズムが移行する。
• 600 Kで、熱イオン性能係数は18.5に達し、ナノスケールデバイスとしての高い冷却効率を示している。
• 同等ZT値は0.13と算出され、2次元ヘテロ構造において顕著であり、有望なベンチマークを示している。
• マルチレイヤーのホスホレンは、電荷キャリア1個あたりの熱輸送を向上させ、熱イオン効率を向上させている。
• 層数の増加に伴い、トンネル効果支配から熱イオン支配への明確な移行が観察された。
• 第一原理シミュレーションにより、ファンデルワールスヘテロ構造を用いた高性能熱イオン冷却器の設計可能性が確認された。