[논문 리뷰] Ultralow lattice thermal conductivity and high thermoelectric performance near room temperature of Janus monolayer HfSSe

Jayanta Bera, Atanu Betal외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 05.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 체온에서 에너지를 수확하기 위한 고성능 열전 재료로 단층 HfSSe를 제안하며, 진동수 군속도와 짧은 수명으로 인해 초저온 격자 열전도도(300 K에서 0.36 W/mK)를 갖는다. 밀도함수이론과 볼츠만 운동량 이론을 이용한 최초 원리 계산은 실온에서 ZT ≈ 1에 가까운 높은 열전 성능을 보여주며, 착용형 에너지 수확 장치에 유망하다.

ABSTRACT

Two-dimensional transition metal di-chalcogenides (TMDCs) have shown great potential as good quality thermoelectric materials at high temperature since past few years due to their suitable band gap tunabilty, low dimensionality and fantastic combination of electrical conductivity and lattice thermal conductivity. Here, a first principles calculations of electronic and thermoelectric performance of two dimensional monolayer HfS 2 , HfSe 2 and their Janus monolayer HfSSe has been performed with the help of density functional theory and Boltzmann transport equation. Thermodynamical stability of all three structures has been confirmed from phonon dispersion curves. The thermoelectric parameters such as Seebeck coefficient, power factor and electrical conductivity have been calculated at 300K, 400K and 500K. The lattice thermal conductivity at room temperature has been found very low in monolayer HfS 2 , HfSe 2 and HfSSe Janus monolayer as compared to very popular TMDCs such as MoS 2 and WS 2 . An ultralow value of lattice thermal conductivity of the value of 0.36 W/mK at room temperature in Janus monolayer HfSSe has been found which is lower than that of monolayer HfS 2 and HfSe 2 because of the very low group velocity and short phonon lifetime in HfSSe. This ultralow lattice thermal conductivity in Janus monolayer HfSSe results a very high thermoelectric figure of merit close to the value of 1 at room temperature. By constructing the Janus monolayer of HfS 2 and HfSe 2 the thermoelectric performances significantly enhanced. Our theoretical investigation predicts that Janus monolayer HfSSe can be a revolutionary candidate for the fabrication of next generation wearable thermoelectric power generator to convert human body heat into electricity.

연구 동기 및 목표

• 단층 HfS2, HfSe2 및 그의 제누스 이소매인 HfSSe의 열전 성질을 조사하기 위해.
• 제누스 HfSSe의 구조적 비대칭성이 격자 열전도도와 열전 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 제누스 HfSSe가 실온 근처에서 높은 열전 효율을 달성할 수 있는지 확인하기 위해.
• HfSSe가 착용형 열전 발전기의 차세대 재료로서의 잠재성을 탐색하기 위해.
• 기존의 MoS2 및 WS2와 같은 전통적 투밀리터럴 디테르화합물(TMDCs)과의 열전 성능을 비교하기 위해.

제안 방법

• 전자 구조 및 열역학적 안정성을 위해 진동수 분포 스펙트럼을 통한 열역학적 안정성 평가를 위해 밀도함수이론(DFT)을 사용하였다.
• 일정한 릴랙세이션 시간 근사법을 사용한 볼츠만 운동량 방정식을 통해 열전 운반성질을 계산하였다.
• 300 K, 400 K, 500 K에서 시베크 계수, 전기적 도전도 및 파워 팩터를 계산하였다.
• DFT 계산에서 유도된 진동수 군속도 및 수명을 바탕으로 격자 열전도도를 평가하였다.
• HfSSe의 열전 성능을 대칭 단층 HfS2 및 HfSe2와 비교하였다.
• 특히 실온에서 열전 효율을 정량화하기 위해 도자수(ZT)를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 제누스 단층 HfSSe의 격자 열전도도는 HfS2 및 HfSe2와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ2 HfSSe의 구조적 비대칭성은 진동수 운반 및 열전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 HfSSe의 열전 도자수(ZT)는 약 300 K에서 얼마이며, 다른 2D TMDCs와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 제누스 HfSSe는 착용형 에너지 수확 응용에 적합한 높은 열전 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 진동수 군속도와 수명은 HfSSe에서 열전도도를 낮추는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 제누스 단층 HfSSe는 실온(300 K)에서 초저온 격자 열전도도 0.36 W/mK를 나타내며, HfS2 및 HfSe2보다 현저히 낮다.
• HfSSe의 저온 격자 열전도도는 구조적 비대칭으로 인해 진동수 군속도가 저하되고 진동수 수명이 단축되어 발생한다.
• HfSSe의 열전 도자수(ZT)는 실온에서 약 1에 도달하여 높은 열전 효율을 나타낸다.
• 전자 구조 조정 향상으로 인해 HfS2 및 HfSe2보다 높은 파워 팩터와 향상된 시베크 계수를 보인다.
• 진동수 분포 스펙트럼에서 허수 주파수의 부재로 인해 HfSSe의 열역학적 안정성이 확인되었다.
• 이 연구는 HfSSe가 체온을 수확하는 차세대 착용형 열전 발전기로서 뛰어난 후보자임을 예측한다.