[論文レビュー] Record High Thermoelectric Powerfactor in Single and Few-Layer MoS$_2$

Kedar Hippalgaonkar, Ying Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2015

2D Materials and Applications参考文献 33被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、2次元遷移金属ジ chalcogenides における量子閉じ込め効果を活用することで、室温下で 8.5 mWm⁻¹K⁻² の記録的な熱電力因子を単層および少数層 MoS₂ で達成した。高い力因子は、大きな有効質量と高いキャリア移動度を併せ持つ特異な2次元状態密度に起因し、Bi₂Te₃ を上回り、いかなる熱電材料でも測定された中で最高の値である。

ABSTRACT

The quest for high-efficiency heat-to-electricity conversion has been one of the major driving forces towards renewable energy production for the future. Efficient thermoelectric devices require careful material engineering such as high voltage generation from a temperature gradient, and high electrical conductivity while maintaining a low thermal conductivity. Significant progress in the thermoelectric performance of materials has been made by exploring the ultralow thermal conductivity at high temperature, reducing the thermal conductivity by nanostructuring, resonant doping and energy-dependent scattering. For a given thermal conductivity and temperature, thermoelectric powerfactor is determined by the electronic structure of the material. Low dimensionality (1D and 2D) opens new routes to high powerfactor due to their unique density of states of confined electrons and holes. Emerging 2D transition metal dichalcogenide (TMDC) semiconductors represent a new class of thermoelectric materials not only from their discretized density of states, but especially due to their large effective masses and high carrier mobilities, different from gapless semi-metallic graphene. Here we report a measured powerfactor of $MoS_2$ as large as $8.5 mWm^{-1}K^{-2}$ at room temperature, the highest among all thermoelectric materials and twice that of commercial thermoelectric material $Bi_2Te_3$. For the first time, the measurement of the thermoelectric properties of monolayer $MoS_2$ allows us to determine the quantum confined 2D density of states near the conduction band edge, which cannot be measured by electrical conductivity alone. The demonstrated record high powerfactor in 2D TMDCs holds promise for efficient thermoelectric energy conversion.

研究の動機と目的

• 量子閉じ込め効果を活用して2次元材料における超高力因子を達成すること。
• 従来の電気伝導度測定では到達できない、単層 MoS₂ の伝導帯端付近の2次元状態密度を測定・特徴づけること。
• 低次元遷移金属ジカルコゲナイド（TMDC）が、Bi₂Te₃ などの従来の熱電材料を上回る力因子性能を示すことを実証すること。
• 室温下で測定されたいかなる材料系に対しても最高の力因子を達成することで、熱電材料の新しいベンチマークを確立すること。

提案手法

• 剥離法で得た単層および少数層 MoS₂ フレークの作製と電気的特性評価により、内在する熱電特性を分離すること。
• 力因子を S²G の式を用いて抽出する。ここで S はセーベック係数、G は電導度である。
• 伝導帯端付近の電子構造を解釈するために、量子閉じ込め2次元状態密度モデルを用いること。
• 力因子性能のベンチマークを確立するため、バルク Bi₂Te₃ および他の既知の熱電材料と性能を比較すること。
• 室温での力因子を特定し、安定性を評価するために、温度依存輸送測定を実施すること。
• 輸送データからキャリア移動度および有効質量を分析し、向上した力因子と相関づけること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単層 MoS₂ は、Bi₂Te₃ のような従来のバルク材料を上回る熱電力因子を達成できるか？
• RQ2 2次元 MoS₂ における量子閉じ込め効果が、伝導帯端付近の状態密度をどの程度向上させ、熱電性能の向上に寄与するか？
• RQ3 電気伝導度に依存せず、熱電測定のみで MoS₂ の2次元状態密度を実験的にプローブできるか？
• RQ4 室温下での単層 MoS₂ で達成可能な最大力因子は何か？ 他の2次元およびバルク熱電材料と比べてどうか？
• RQ5 MoS₂ に見られる大きな有効質量と高いキャリア移動度は、観測された記録的力因子にどのように寄与しているか？

主な発見

• 室温下で MoS₂ において 8.5 mWm⁻¹K⁻² の熱電力因子が測定され、いかなる熱電材料に対しても報告された最高値である。
• この力因子は、商業用 Bi₂Te₃ の約2倍であり、主要な性能ベンチマークとして機能する。
• 単層 MoS₂ の熱電特性測定により、伝導帯端付近の量子閉じ込め2次元状態密度を直接決定できた。
• 高い力因子は、2次元 MoS₂ における大きな有効質量と高いキャリア移動度の組み合わせに起因し、セーベック係数を向上させつつ良好な電気伝導度を維持している。
• 低次元 TMDC が、設計された電子構造により高性能熱電材料への新たな道筋を提供することが確認された。
• 本研究により、2次元 MoS₂ が室温下で、いかなる既存の熱電材料よりも力因子で優位であることが立証され、新たな性能記録を樹立した。