[논문 리뷰] Spectroscopic evidence for the convergence of lower and upper valence bands of PbQ (Q=Te, Se, S) with rising temperature

Junying Zhao, Christos D. Malliakas외 6명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 07.

Solid-state spectroscopy and crystallography인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 온도에 따라 변화하는 ARPES를 통해 PbTe, PbSe, PbS에서 저항성 밴드(LVB)와 고저항성 밴드(UVB)가 온도가 상승함에 따라 수렴함을 직접적인 스펙트로스코픽 증거로 제시한다. 이로 인해 에너지 간격이 단조롭게 감소하며, 이 수렴은 T* ~750 K(PbTe), 1200 K(PbSe), 1000 K(PbS)에서 예측된다. 이 수렴은 밸리 디게너레이시를 증가시키며, 고온에서 이들 물질의 높은 열전 성능을 설명한다.

ABSTRACT

We have conducted temperature dependent Angle Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES) study of the electronic structure of n-, p- type PbTe, PbSe and PbS, which are pre- mier thermoelectric materials. Our ARPES measurements on them provide direct evidence for the light hole upper valence bands (UVBs) and the so-called heavy hole lower valence bands (LVBs), and an unusual temperature dependent relative movement between their band maxima leading to a monotonic decrease in the energy separation between LVBs and UVBs with increase in temperature. This enables convergence of these valence bands and consequently, an effective increase in the valley degeneracy in PbQ at higher temperatures, which has long been speculated to be the driving factor behind their extraordinary thermoelectric performance.

연구 동기 및 목표

• 납 chalcogenides(PbQ)의 밴드 구조의 온도 변화에 대한 오랫동안 끊어진 논란을 해결하기 위해.
• 온도 상승에 따라 저항성 밴드(LVB)와 고저항성 밴드(UVB) 간 상대적 이동에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공하기 위해.
• 특히 고온에서의 밸리 디게너레이시 증가가 기여하는 바를 규명하여 PbQ 물질의 높은 열전 효율성의 메커니즘을 명확히 하기 위해.
• 운반성 및 광학 측정에서 유래된 LVB와 UVB 간의 교차 온도(T*)에 대한 모순된 보고를 조율하기 위해.

제안 방법

• 온도에 따라 변화하는 각도 분 giải 광전자 방출 분석(ARPES)을 ~100 K에서 ~500 K의 온도 범위에서 p형 PbTe, n형 PbSe, n형 PbS 시료에 대해 수행하였다.
• LVB 및 UVB의 밴드 최대치에 해당하는 동역학적 운동량 위치에서 에너지 분포 곡선(EDC)을 추출하여 온도에 따른 에너지 변화를 추적하였다.
• LVB 및 UVB 밴드 가장자리 간의 에너지 간격 Δ는 Δ = Ω_U - Ω_L로 계산되었으며, 여기서 Ω_U 및 Ω_L은 각각 UVB 및 LVB의 밴드 가장자리 에너지이다.
• Δ의 T 의존성 데이터에 선형 피팅을 적용하여 Δ → 0이 되는 온도 T*를 외삽하였다. 이는 밴드 수렴을 의미한다.
• 이전의 자성 및 광학 측정 결과와 비교하여 T* 추정치의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PbQ(Q=Te, Se, S)에서 저항성 밴드와 고저항성 밴드가 온도에 따라 에너지가 이동하여 수렴하는가?
• RQ2 PbTe, PbSe, PbS에서 LVB와 UVB 간의 에너지 간격의 정량적 온도 의존성은 무엇인가?
• RQ3 고온에서 관측된 밴드 수렴이 PbQ 물질의 향상된 열전 성능을 설명하는가?
• RQ4 밴드 수렴의 T* 값은 운반성 및 광학 측정에서 유도된 값과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 모든 세 종류의 PbQ 화합물에서 LVB와 UVB 간 에너지 간격 Δ는 온도 상승에 따라 단조롭게 감소함을 보이며, 지속적인 밴드 수렴을 나타낸다.
• T ~100 K에서 에너지 간격 Δ는 PbS에서 가장 크며(536 meV), PbSe에서 중간(394 meV), PbTe에서 가장 작다(130 meV).
• UVB 에너지 갭 Δ_U는 온도에 따라 선형으로 증가하지만, LVB 에너지 갭 Δ_L는 거의 일정하게 유지되어 Δ의 감소를 이끈다.
• Δ의 선형 T 의존성 외삽을 통해 특성 수렴 온도 T*는 각각 PbTe에서 약 750 K, PbS에서 약 1000 K, PbSe에서 약 1200 K로 도출되었다.
• PbTe의 추정된 T*는 최근의 자장 측정 및 광학 측정과 잘 일치하여 ARPES 결과의 타당성을 검증한다.
• 결과는 PbQ 물질이 T* 이상에서 간섭 금속 반도체가 되며, LVB가 UVB 위로 교차함을 확인하며, 이는 밸리 디게너레이시를 증가시키고 높은 열전 효율성에 기여한다.