[논문 리뷰] Design of efficient vdW thermionic heterostructures from first principles

Xiaoming Wang, Mona Zebarjadi외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 13.

2D Materials and ApplicationsMaterials Science인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론을 이용한 첫 번째 원리 계산을 통해 그래핀/현무석/그래핀의 반데르발스(VdW) 이종구조를 효율적인 열전자 냉각기로 제안한다. 현무석 층 수를 조절함으로써 양자 터널링에서 열전자 운반으로의 전이가 발생하며, 600 K에서 성능 계수(COP)가 18.5에 도달한다—이는 ZT 값 0.13에 해당하며, 나노스케일 냉각 장치에 있어 높은 잠재력을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노스케일 냉각 응용을 위한 그래핀/현무석/그래핀 반데르발스 이종구조에서의 열전자 운반 메커니즘을 조사하기 위해.
• 현무석 층 수를 변화시킴으로써 양자 터널링에서 열전자 운반으로의 전이를 규명하기 위해.
• 제안된 이종구조의 열전자 성능 계수와 등가 ZT를 정량화하기 위해.
• 계면 결합과 전자 구조가 열전자 효율을 향상시키는 데 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 첫 번째 원리 방법을 활용한 고효율 2차원 이종구조 기반 열전자 냉각기 설계 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 이종구조의 전자 구조 및 밴드 정렬을 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT)을 사용하였다.
• 이종구조를 관통하는 전자 운반 특성을 계산하기 위해 실공간 그린 함수 형식을 적용하였다.
• 층 수 의존성 운반 메커니즘을 연구하기 위해 단층에서 다층에 이르는 현무석을 모델링하였다.
• 접촉 효과와 계면에서의 열전자 방출을 모의하기 위해 금 전극을 시뮬레이션하였다.
• 성능 계수(COP)와 등가 ZT 값으로 열전자 운반 효율을 평가하였다.
• 전송 스펙트럼과 전류-전압 특성을 비교함으로써 터널링에서 열전자 지배로의 전이를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현무석 층 수가 증가함에 따라 그래핀/현무석/그래핀 이종구조에서의 운반 메커니즘이 어떻게 변화하는가?
• RQ2 고온에서 이러한 VdW 이종구조에서 도달 가능한 최대 열전자 성능 계수는 얼마인가?
• RQ3 2차원 반데르발스 이종구조에서 열전자 운반을 통해 ZT 등가 값은 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ4 계면 결합과 밴드 정렬은 열전자 방출과 전자 전송에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 첫 번째 원리 계산은 고효율 나노스케일 열전자 냉각기의 실현 가능 설계를 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 현무석 층 수가 증가함에 따라 단층 현무석에서의 양자 터널링에서 다층 현무석에서의 열전자 방출으로 운반 메커니즘이 전이된다.
• 600 K에서 열전자 성능 계수는 18.5에 도달하여 나노스케일 장치로서 높은 냉각 효율을 나타낸다.
• 등가 ZT 값은 0.13로 계산되었으며, 이는 2차원 이종구조에서 유의미한 수준이며 매우 유망한 기준점으로서의 잠재력을 보여준다.
• 다층 현무석은 단위 전하 운반자당 열 운반을 향상시켜 열전자 효율을 높인다.
• 층 수가 증가함에 따라 터널링 지배에서 열전자 지배로의 명확한 전이가 관찰된다.
• 첫 번째 원리 시뮬레이션은 반데르발스 이종구조를 활용한 고성능 열전자 냉각기 설계의 실현 가능성을 확인한다.