[논문 리뷰] Record High Thermoelectric Powerfactor in Single and Few-Layer MoS$_2$

Kedar Hippalgaonkar, Ying Wang외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 26.

2D Materials and Applications참고 문헌 33인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 2D 전이금속디 chalcogenide에서의 양자 구속 효과를 통해 실온에서 단일 및 소수층 MoS₂에서 기록적인 열전력계수 8.5 mWm⁻¹K⁻²를 보고한다. 높은 열전력계수는 큰 효율 질량과 높은 운반자 이동도를 가진 고유한 2D 상태밀도로 인해 발생하며, Bi₂Te₃를 초월하여 어떤 열전재료에서도 측정된 바 없는 최고 수준의 값을 기록한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 양자 구속 효과를 활용하여 2차원 재료에서 초고성능 열전력계수를 달성하기 위해 노력한다.
• 기존 전기 전도도 측정 방식으로는 접근이 어려운 단일층 MoS₂의 도체 밴드 에지 근처의 2D 상태밀도를 측정하고 특성화한다.
• 저차원 전이금속디칼코겐화합물(TMDCs)이 Bi₂Te₃와 같은 전통적 열전재료를 초월할 수 있는지 입증한다.
• 실온에서 측정된 모든 재료계에서 기록된 바 있는 최고의 열전력계수를 확보하여 열전재료의 새로운 기준을 설정한다.

제안 방법

• 고유의 열전 성질을 분리하기 위해 에폭시 분리된 단일 및 소수층 MoS₂ 플레이크의 제작 및 전기적 특성 분석.
• 열전력계수를 산출하기 위해 공식 S²G를 사용하며, S는 세벡 계수이고 G는 전도도이다.
• 도체 밴드 에지 근처 전자 구조를 해석하기 위해 양자 구속된 2D 상태밀도 모델을 사용한다.
• 성능 기준을 설정하기 위해 부직성 Bi₂Te₃ 및 기타 알려진 열전재료와의 열전 성능을 비교한다.
• 실온에서의 열전력계수를 결정하고 안정성을 평가하기 위해 온도 의존성 운반자 전송 측정을 실시한다.
• 운반자 이동도와 효율 질량을 운반자 전송 데이터에서 분석하여 향상된 열전력계수와의 상관관계를 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일층 MoS₂는 Bi₂Te₃와 같은 기존의 부직성 재료를 초월하는 열전력계수를 달성할 수 있는가?
• RQ2 2D MoS₂에서의 양자 구속 효과가 도체 밴드 에지 근처의 상태밀도를 얼마나 향상시켜 열전 성능을 향상시키는가?
• RQ3 전기 전도도 측정 외에 열전 성질 측정만으로도 MoS₂의 2D 상태밀도를 실험적으로 탐측할 수 있는가?
• RQ4 실온에서 단일층 MoS₂에서 달성 가능한 최대 열전력계수는 얼마이며, 다른 2D 및 부직성 열전재료와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 MoS₂에서 큰 효율 질량과 높은 운반자 이동도가 관측된 기록적인 열전력계수에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 실온에서 MoS₂에서 측정된 열전력계수는 8.5 mWm⁻¹K⁻²로, 어떤 열전재료에서도 보고된 바 있는 최고 수준의 값이다.
• 이 열전력계수는 상업용 Bi₂Te₃의 약 두 배이며, 핵심 성능 기준으로서의 역할을 한다.
• 단일층 MoS₂의 열전 성질 측정을 통해 도체 밴드 에지 근처의 양자 구속된 2D 상태밀도를 직접적으로 결정할 수 있었다.
• 높은 열전력계수는 큰 효율 질량과 높은 운반자 이동도의 조합으로 인해 발생하며, 이는 세벡 계수를 향상시키면서도 양호한 전기 전도도를 유지함으로써 가능해졌다.
• 결과적으로 저차원 TMDCs는 설계된 전자 구조를 통해 고성능 열전재료로의 새로운 길을 열어주며, 이는 확인되었다.
• 본 연구는 실온에서 2D MoS₂가 이전에 보고된 모든 열전재료를 뛰어넘어 열전력계수 기준으로 새로운 성능 기록을 수립했다.