[論文レビュー] The thermal and electrical properties of the promising semiconductor MXene Hf2CO2

Xian‐Hu Zha, Qing Huang+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2015

MXene and MAX Phase MaterialsMaterials Science参考文献 56被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて酸素官能基を有するHf2CO2 MXeneの熱的および電気的特性を調査した。室温での熱伝導率はアームチェア方向に86.25–131.2 Wm⁻¹K⁻¹と高く、バンドギャップは1.657 eVと中程度の値を示した。Hf2CO2は高いキャリア移動度（最大17.6×10³ cm²V⁻¹s⁻¹）と低い熱膨張率（6.094×10⁻⁶ K⁻¹）を示し、ナノエレクトロニクス用途に有望な半導体であることが示された。

ABSTRACT

In this work, we investigate the thermal and electrical properties of oxygen-functionalized M2CO2 (M = Ti, Zr, Hf) MXenes using first-principles calculations. Hf2CO2 is found to exhibit a thermal conductivity better than MoS2 and phosphorene. The room temperature thermal conductivity along the armchair direction is determined to be 86.25-131.2 Wm-1K-1 with a flake length of 5-100 um, and the corresponding value in the zigzag direction is approximately 42% of that in the armchair direction. Other important thermal properties of M2CO2 are also considered, including their specific heat and thermal expansion coefficients. The theoretical room temperature thermal expansion coefficient of Hf2CO2 is 6.094x10-6 K-1, which is lower than that of most metals. Moreover, Hf2CO2 is determined to be a semiconductor with a band gap of 1.657 eV and to have high and anisotropic carrier mobility. At room temperature, the Hf2CO2 hole mobility in the armchair direction (in the zigzag direction) is determined to be as high as 13.5x103 cm2V-1s-1 (17.6x103 cm2V-1s-1), which is comparable to that of phosphorene. Broader utilization of Hf2CO2 as a material for nanoelectronics is likely because of its moderate band gap, satisfactory thermal conductivity, low thermal expansion coefficient, and excellent carrier mobility. The corresponding thermal and electrical properties of Ti2CO2 and Zr2CO2 are also provided here for comparison. Notably, Ti2CO2 presents relatively low thermal conductivity and much higher carrier mobility than Hf2CO2, which is an indication that Ti2CO2 may be used as an efficient thermoelectric material.

研究の動機と目的

• ナノエレクトロニクスデバイスへの応用を想定し、Hf2CO2 MXeneの熱的および電気的特性を評価すること。
• Hf2CO2と他のM2CO2 MXene（Ti2CO2、Zr2CO2）との間で、熱伝導率、バンドギャップ、キャリア移動度の観点から比較すること。
• 熱膨張率および比熱の計算を用いて、Hf2CO2の熱的安定性および機械的強度を評価すること。
• Hf2CO2における熱的および電気的輸送の異方性を特定すること。
• Hf2CO2が、先進的なナノエレクトロニクスに適した優れた電子的および熱的特性を有する半導体としての可能性を検討すること。

提案手法

• 電子構造、バンドギャップ、キャリア移動度の計算に、第一原理密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• 格子力学およびフォノン分散を用いて、熱伝導率および比熱を決定した。
• 熱膨張係数は、格子定数の温度依存性から計算した。
• キャリア移動度は、歪みポテンシャル理論および有効質量近似を用いて評価した。
• アームチェア方向およびジグザグ方向に沿った性質の計算により、熱的および電気的輸送の異方性を分析した。
• Ti2CO2、Zr2CO2、Hf2CO2の比較的分析を行い、材料固有の傾向を強調した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Hf2CO2 MXeneの熱伝導率はどの程度であり、スケール（フラクチャーレングス）および結晶学的方位にどのように依存するか？
• RQ2 Hf2CO2の電子的バンドギャップはどの程度であり、Ti2CO2 や Zr2CO2 などの他のMXeneと比較してどうなるか？
• RQ3 Hf2CO2のキャリア移動度は、ブラックリンやMoS2などの他の2次元半導体と比較してどうか？
• RQ4 Hf2CO2の熱膨張係数はどの程度であり、熱的安定性にどのように影響するか？
• RQ5 Hf2CO2における熱的および電気的輸送の異方性は、どの程度顕著か？

主な発見

• Hf2CO2は、5–100 µmのフラクチャーレングスにおいて、アームチェア方向に室温で86.25–131.2 Wm⁻¹K⁻¹の熱伝導率を示した。
• ジグザグ方向の熱伝導率は、アームチェア方向の約42％であり、強い異方性が示された。
• Hf2CO2は中程度のバンドギャップ1.657 eVを有しており、半導体的性質が確認された。
• 室温におけるホール移動度は、アームチェア方向で13.5×10³ cm²V⁻¹s⁻¹、ジグザグ方向で17.6×10³ cm²V⁻¹s⁻¹に達した。
• Hf2CO2の熱膨張係数は6.094×10⁻⁶ K⁻¹であり、大多数の金属よりも低かった。
• Ti2CO2およびZr2CO2と比較して、Hf2CO2はナノエレクトロニクス用途において、熱伝導率、バンドギャップ、キャリア移動度のバランスに優れていた。