[논문 리뷰] Enhancing the thermoelectric performance of a HfS2 monolayer through valley engineering

Hongyan Lv, W. J. Lu외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 19.

2D Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 희미한 이황화하프늄(HfS2) 계면에 6%의 인장 응력을 적용함으로써 밸리 엔지니어링을 통해 열전 성능을 향상시킨다. 이로 인해 실온에서 p형 ZT는 0.60에서 3.67로 다섯 배 향상되었고, 동시에 높은 n형 ZT(~3.08)를 유지함으로써 열전 모듈에서 p형 및 n형 레그의 기능을 균형 있게 구현할 수 있게 되었다.

ABSTRACT

The electronic, phonon, and thermoelectric properties of a two-dimensional HfS2 monolayer are investigated by using the first-principles calculations combined with the Boltzmann transport theory. The band valleys of the HfS2 monolayer can be effectively tuned by the applied biaxial strain. The Seebeck coefficient and therefore the peak value of the power factor (with the relaxation time inserted) increase when the degeneracy of the band valleys is increased by the strain. When no strain is applied, the HfS2 monolayer is an excellent n-type thermoelectric material, while the thermoelectric performance of the p-type doped one is poor. The applied tensile strain of 6% can increase the room-temperature ZT value of the p-type doped system to 3.67, which is five times larger than that of the unstrained one. The much more balanced ZT values of the p- and n-type doping are favorable for fabrication of both p- and n-legs of thermoelectric modules. Our results indicate that the thermoelectric performance of the HfS2 monolayer can be greatly improved by the valley engineering through the method of strain.

연구 동기 및 목표

• 고효율 에너지 변환에 활용 가능한 2차원 HfS2 계면의 열전 성질을 조사하기 위해.
• 2차원 HfS2에서 p형 및 n형 Dopant 간의 열전 성능 불균형 문제를 해결하기 위해.
• 외부 응력에 의해 밸리 디제너레이션을 조절할 수 있는지 탐색하여 전력 인자 및 ZT 값을 향상시킬 수 있는지 확인하기 위해.
• p형 및 n형 Dopant에 대해 열전 효율을 최대화하는 최적의 응력 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 전자 및 격자 진동 스펙트럼 구조를 계산하기 위해 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 보른츠타인 운동방정식을 일정한 비산소 시간 근사법 내에서 해석하여 시베크 계수, 전기적 도전도 및 전력 인자를 계산하였다.
• 이sovolumetric 인장 응력(0%에서 10%)을 적용하여 밴드 밸리 디제너레이션과 밴드 분산를 조절하였다.
• 격자 열전도도는 선형 반응 방법을 사용하여 계산하였고, 전자 열전도도는 와이드먼-프란츠 법칙을 기반으로 추정하였다.
• 차원이 없는 성능 지표 ZT는 ZT = S²σT / (κₑ + κₚ) 식으로 계산되었으며, 온도 T = 300 K로 설정하였다.
• 정확도를 확보하기 위해 스핀-오비트 결합이 밴드 구조 및 열전 성질에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이sovolumetric 응력이 HfS2 계면의 밸리 디제너레이션과 밴드 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 응력 유도 밸리 디제너레이션은 시베크 계수 및 전력 인자에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 응력은 p형 및 n형 도핑된 HfS2 계면의 ZT 값에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 응력 엔지니어링를 통해 p형 및 n형 HfS2의 열전 성능을 균형 있게 조절하여 실용적인 열전 모듈 설계를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 p형 도핑에 대해 ZT를 최대화하는 최적의 응력 수준는 얼마인가?

주요 결과

• 6% 인장 응력 조건에서 HfS2 계면의 세 개의 가역 밴드 밸리가 최대 디제너레이션을 이룩하여 시베크 계수 및 전력 인자를 크게 향상시켰다.
• 6% 응력 조건에서 p형 도핑된 HfS2 계면는 실온에서 ZT가 3.67에 도달하였으며, 이는 응력이 가해지지 않은 경우의 0.60보다 다섯 배 높은 값이다.
• n형 도핑된 HfS2 계면는 6% 응력 조건에서도 높은 ZT 3.08을 유지하였으며, 시베크 계수 및 전기적 도전도에 미치는 상반된 영향로 인해 응력이 가해지지 않은 경우의 4.48에서 略도 감소하였다.
• p형 ZT의 증가는 향상된 시베크 계수 및 전기적 도전도, 그리고 감소된 격자 열전도도에 기인한다.
• 응력 유도 밸리 디제너레이션은 밸리 간 에너지 차이가 감소함에 따라 정규화된 비산소 시간을 고려할 때 전력 인자의 피크가 단조적으로 증가하는 경향을 보였다.
• 결과적으로 응력 엔지니어링는 p형 및 n형 성능을 균형 있게 만들 수 있음을 보여주며, 이는 p형 및 n형 레그를 모두 갖춘 열전 모듈에 대한 HfS2 계면의 실용 가능성을 입증한다.