[논문 리뷰] The thermal and electrical properties of the promising semiconductor MXene Hf2CO2

Xian‐Hu Zha, Qing Huang외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 28.

MXene and MAX Phase Materials참고 문헌 56인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 처음으로 원자적 계산을 통해 산소 기능화된 Hf2CO2 MXene의 열적 및 전기적 성질을 조사하여, 아크메어 방향으로 실온에서 열전도도가 86.25–131.2 Wm⁻¹K⁻¹로 매우 높고, 중간 수준의 금역간격 1.657 eV를 가짐을 밝혀냈다. Hf2CO2는 높은 운반체 이동도(최대 17.6×10³ cm²V⁻¹s⁻¹)와 낮은 열팽창 계수(6.094×10⁻⁶ K⁻¹)를 보이며, 나노전자소자 응용 분야에서 유망한 반도체로 부상하고 있다.

ABSTRACT

In this work, we investigate the thermal and electrical properties of oxygen-functionalized M2CO2 (M = Ti, Zr, Hf) MXenes using first-principles calculations. Hf2CO2 is found to exhibit a thermal conductivity better than MoS2 and phosphorene. The room temperature thermal conductivity along the armchair direction is determined to be 86.25-131.2 Wm-1K-1 with a flake length of 5-100 um, and the corresponding value in the zigzag direction is approximately 42% of that in the armchair direction. Other important thermal properties of M2CO2 are also considered, including their specific heat and thermal expansion coefficients. The theoretical room temperature thermal expansion coefficient of Hf2CO2 is 6.094x10-6 K-1, which is lower than that of most metals. Moreover, Hf2CO2 is determined to be a semiconductor with a band gap of 1.657 eV and to have high and anisotropic carrier mobility. At room temperature, the Hf2CO2 hole mobility in the armchair direction (in the zigzag direction) is determined to be as high as 13.5x103 cm2V-1s-1 (17.6x103 cm2V-1s-1), which is comparable to that of phosphorene. Broader utilization of Hf2CO2 as a material for nanoelectronics is likely because of its moderate band gap, satisfactory thermal conductivity, low thermal expansion coefficient, and excellent carrier mobility. The corresponding thermal and electrical properties of Ti2CO2 and Zr2CO2 are also provided here for comparison. Notably, Ti2CO2 presents relatively low thermal conductivity and much higher carrier mobility than Hf2CO2, which is an indication that Ti2CO2 may be used as an efficient thermoelectric material.

연구 동기 및 목표

• 나노전자소자 응용을 위한 Hf2CO2 MXene의 열적 및 전기적 성질 평가
• Hf2CO2를 Ti2CO2, Zr2CO2 등 다른 M2CO2 MXene들과의 열전도도, 금역간격, 운반체 이동도 측면에서 비교 분석
• 열팽창 계수 및 특성비열 계산을 통한 Hf2CO2의 열적 안정성 및 기계적 내구성 평가
• Hf2CO2에서 열 및 전기적 운반의 이방성 행동 규명
• 고급 나노전자소자에 적합한 전자적 및 열적 특성을 갖춘 반도체로서 Hf2CO2의 잠재력 탐색

제안 방법

• 전자 구조, 금역간격, 운반체 이동도 계산을 위해 처음으로 원자적 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 활용
• 격자 역학 및 포논 분산을 통해 열전도도 및 특성비열 결정
• 격자 상수의 온도 의존성에서 유도된 열팽창 계수 계산
• 변형 포텐셜 이론 및 효과적 질량 근사법을 이용한 운반체 이동도 평가
• 아크메어 및 지그재그 방향의 성질 계산을 통해 열 및 전기적 운반의 이방성 분석
• Ti2CO2, Zr2CO2 및 Hf2CO2 간의 비교 분석을 통해 재료별 특성 추세 파악

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Hf2CO2 MXene의 열전도도는 얼마이며, 플레이크 크기 및 결정학적 방향에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 Hf2CO2의 전자 구조 금역간격은 얼마이며, Ti2CO2 및 Zr2CO2와 같은 다른 MXene들과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ3 Hf2CO2의 운반체 이동도는 퍼포렌, MoS2 등의 다른 2차원 반도체들과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 Hf2CO2의 열팽창 계수는 얼마이며, 이는 열적 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 Hf2CO2에서 열 및 전기적 운반의 이방성 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• Hf2CO2는 플레이크 길이 5–100 µm 범위에서 아크메어 방향으로 실온에서 열전도도가 86.25–131.2 Wm⁻¹K⁻¹를 나타낸다.
• 지그재그 방향의 열전도도는 아크메어 방향의 약 42% 수준이며, 강한 이방성 특성을 보임을 시사한다.
• Hf2CO2는 중간 수준의 금역간격 1.657 eV를 가지며, 반도체 성질을 확인한다.
• 실온에서 아크메어 방향에서 정공 이동도는 13.5×10³ cm²V⁻¹s⁻¹, 지그재그 방향에서는 17.6×10³ cm²V⁻¹s⁻¹에 도달한다.
• Hf2CO2의 열팽창 계수는 6.094×10⁻⁶ K⁻¹로, 대부분의 금속보다 낮다.
• Ti2CO2 및 Zr2CO2와 비교해 볼 때, Hf2CO2는 나노전자소자 응용 분야에서 열전도도, 금역간격, 운반체 이동도의 균형이 뛰어나다.