[논문 리뷰] Doping effect on thermoelectric properties of MoS$_2$

Huaihong Guo, Teng Yang외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 14.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 p형 도핑된 MoS₂의 열전 성질을 처음 원리 계산과 볼츠만 운반 이론을 사용하여 조사한다. 최적의 도핑 농도는 약 10¹⁹ cm⁻³이며, 700 K에서 면내 방향으로 ZT가 0.3에 도달한다. 전기적 및 전자 열전도도에서 강한 이방성이 관찰되나, 열전력에서는 거의 이방성이 없으며, 이는 면내 응용에 유리하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 처음 원리 계산과 볼츠만 운반 이론을 사용하여 p형 도핑된 MoS₂의 열전 성능을 체계적으로 조사하기.
• 열전 성능 지표 ZT를 최대화하는 데 최적의 도핑 농도와 온도 범위를 규명하기.
• 면내 및 면외 방향에서 열전력, 전기 전도도, 전자 열전도도의 이방성 운반 거동을 분석하기.
• 전자 산란 시간의 이방성이 운반 성질의 방향적 차이를 결정하는 데 미치는 영향을 평가하기.
• 무작위 적층과 같은 미세구조 공학을 통해 격자 열전도도를 감소시켜 ZT를 향상시킬 수 있는 잠재력을 평가하기.

제안 방법

• 교환-상관성 기능으로 일반화된 기울기 근사(GGA-PBE)를 사용한 WIEN2K 패키지를 이용한 아보이드 전자 밴드 구조 계산.
• BOLTZTRAP 코드를 통해 볼츠만 운반 이론을 구현하여 열전력, 전기 전도도, 출력 인자, 전자 열전도도를 계산.
• 운반 계산에서 조정 가능한 매개변수를 피하기 위해 에너지에 의존하지 않는 전자 산란 시간을 가정.
• Kim 등 [29]의 실험적 격자 열전도도 데이터(κₗ)를 사용하여 κ = 183.103/T + 0.412671로 피팅하여 총 열전도도를 추정.
• Wiedemann-Franz 법칙을 통해 κₑ를 계산하고, 실험적 피팅을 통해 κₗ를 확보하여 ZT = (S²σT)/κ 공식을 사용해 ZT를 계산.
• 10¹⁵ ~ 10²⁰ cm⁻³ 범위의 정공 도핑과 100 K ~ 700 K 온도를 체계적으로 변화시켜 ZT 및 운반 함수의 맵핑 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoS₂에서 열전 성능 지표 ZT를 최대화하기 위한 최적의 도핑 농도는 무엇인가?
• RQ2 도핑 및 온도 변화에 따라 열전력, 전기 전도도, 전자 열전도도의 방향적 이방성은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 면내 및 면외 방향에서 전자 및 격자 열전도도의 상대 기여는 각각 얼마인가?
• RQ4 전자 산란 시간의 이방성이 운반 성질의 방향적 차이에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 무작위 적층과 같은 미세구조 공학을 통해 격자 열전도도를 감소시켜 MoS₂의 ZT를 0.3를 초과로 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 10¹⁷–10²⁰ cm⁻³ 범위의 넓은 도핑 범위에서 열전력이 200 μV/K를 초과하며, 도핑 농도 >10¹⁷ cm⁻³일 경우 면내 및 면외 방향 간에 거의 이방성이 없음을 확인.
• 전기 전도도와 전자 열전도도는 강한 이방성을 보이며, σₓₓ 및 κₑˣˣ는 σ_zz 및 κₑzz보다 약 두 배 정도 큰데, 이는 이방성 산란 시간에 기인함.
• 면내 방향에서는 전자 열전도도(κₑˣˣ)가 격자 열전도도(κₗˣˣ)와 유사한 크기이며, 면외 방향에서는 κₗᶻᶻ가 κₑᶻᶻ를 압도함.
• 면내 운반에서 700 K에서 최대 ZT가 약 10¹⁹ cm⁻³의 실리콘 농도에서 0.3에 도달하며, 이 값은 유지됨.
• 면내 방향은 면외 방향보다 열전 응용에 훨씬 유리한데, 이는 더 높은 출력 인자와 ZT를 기인함.
• 무작위 적층과 같은 미세구조 제어를 통해 격자 열전도도를 추가로 감소시킬 경우 ZT를 0.3 이상으로 끌올릴 수 있으나, 이는 전기 운반 성질에 미치는 영향을 검증해야 함.