[論文レビュー] Doping effect on thermoelectric properties of MoS$_2$

Huaihong Guo, Teng Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2012

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算とボルツマン輸送理論を用いて、p型ドーピング下でのMoS₂の熱電特性を調査した。最適ドーピング濃度は約10¹⁹ cm⁻³であり、700 Kで面内方向にZT = 0.3に達した。電気伝導度および電子的熱伝導度には顕著な異方性を示したが、熱電力には無視できるほどの異方性を示し、面内応用に有利である。

ABSTRACT

We systematically study thermoelectric properties of layered MoS$_2$ by doping, based on Boltzmann transport theory and first-principles calculations. We obtain optimal doping region (around 10$^{19}$ cm$^{-3}$) by looking closely to the temperature and doping level dependent thermopower, electrical conductivity, power factor (PF) and ultimately figure of merit (ZT) coefficient along in-plane and cross-plane directions. MoS$_2$ has a vanishingly small anisotropy of thermopower but a big anisotropy of electrical conductivity and electronic thermal conductivity in optimal doping region. $κ_e$ is comparable to $κ_l$ in the plane while $κ_l$ dominates over $κ_e$ across the plane. ZT can reach as high as 0.3 at around 700 K. In-plane direction is demonstrated to be more preferable for thermoelectric applications of MoS$_2$ by doping.

研究の動機と目的

• 第一原理的手法およびボルツマン輸送理論を用いて、p型ドーピング下でのMoS₂の熱電性能を体系的に調査すること。
• 図零質数ZTを最大化する最適ドーピング濃度および温度範囲を特定すること。
• 面内および垂直方向における熱電力、電気伝導度、および電子的熱伝導度の異方性輸送挙動を分析すること。
• 電子散乱時間の異方性が輸送特性の方向差に与える影響を特定すること。
• ランダムスタッキングなどのマイクロ構造的エンジニアリングによって格子熱伝導度を低減することで、ZTの向上が可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 交換相関関数として一般化勾配近似（GGA-PBE）を用いたWIEN2Kパッケージを用いたab initio電子バンド構造計算。
• BOLTZTRAPコードを用いてボルツマン輸送理論を実装し、熱電力、電気伝導度、パワー・ファクター、および電子的熱伝導度を計算。
• 輸送計算における調整パラメータを避けるために、エネルギーに依存しない電子散乱時間を仮定。
• Kimら[29]の実験的格子熱伝導度データ（κₗ）を用い、κ = 183.103/T + 0.412671としてフィッティングし、全熱伝導度を推定。
• Wiedemann-Franz則を用いてκₑを計算し、κₗを実験的フィットから得る。ZT = (S²σT)/κの式を用いてZTを計算。
• ドーピング濃度を10¹⁵～10²⁰ cm⁻³、温度を100 K～700 Kの範囲で系統的に変化させ、ZTおよび輸送関数のマップを作成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoS₂における熱電図零質数ZTを最大にする最適ドーピング濃度は何か？
• RQ2 ドーピングおよび温度の変化に伴い、熱電力、電気伝導度、および電子的熱伝導度の方向的異方性はどのように変化するか？
• RQ3 面内および垂直方向における電子的熱伝導度と格子熱伝導度の相対的寄与度はそれぞれ如何ほどか？
• RQ4 電子散乱時間の異方性が輸送特性の方向差に与える影響はどの程度か？
• RQ5 ランダムスタッキングなどのマイクロ構造的エンジニアリングによって格子熱伝導度を低減することで、MoS₂のZTを0.3を超えて向上させられるか？

主な発見

• ドーピング濃度が10¹⁷～10²⁰ cm⁻³の広い範囲で熱電力が200 μV/Kを超えることが確認され、10¹⁷ cm⁻³以上のドーピングで面内と垂直方向の間で熱電力の異方性は無視できるほど小さい。
• 電気伝導度および電子的熱伝導度には顕著な異方性を示し、σₓₓおよびκₑˣˣはσ_zzおよびκₑzzよりも約2桁大きい。これは異方性のある散乱時間に起因する。
• 面内方向では、電子的熱伝導度（κₑˣˣ）が格子熱伝導度（κₗˣˣ）と同等の大きさを示すが、垂直方向ではκₗᶻᶻがκₑᶻᶻを大きく上回る。
• 面内輸送において、ドーピング濃度が約10¹⁹ cm⁻³、温度が700 Kのとき、ZTの最大値が0.3に達し、以降はその値で飽和する。
• 面内方向は垂直方向に比べて、パワー・ファクターおよびZTが著しく優れており、熱電応用において顕著に有利である。
• マイクロ構造的制御（例：ランダムスタッキング）により格子熱伝導度をさらに低減すれば、ZTを0.3を超える可能性があるが、電気的輸送特性への影響の検証が必要である。