[논문 리뷰] Large thermoelectric power factors in black phosphorus and phosphorene

Hongyan Lv, Weigang Lü외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 21.

2D Materials and Applications참고 문헌 32인용 수 38

한 줄 요약

이 연구는 백磷화물(black-P)과 황백석(phonorene)의 열전 성질을 처음 원리에 기반한 밀도함수이론(DFT)과 반고전적 볼츠만 운반 이론 계산을 사용하여 조사한다. 실온 및 최적 도핑 조건에서 백-P와 황백석은 각각 118.4 및 138.9 μWcm⁻¹K⁻²의 큰 열전력 인자(power factor)를 나타내며, ZT 값은 각각 0.22 및 0.30에 도달하여 격자 열전도도의 제한에도 불구하고 열전 응용 분야에서 강력한 잠재력을 보이고 있다.

ABSTRACT

The electronic properties of the layered black phosphorus (black-P) and its monolayer counterpart phosphorene are investigated by using the first-principles calculations based on the density functional theory (DFT). The room-temperature electronic transport coefficients are evaluated within the semi-classical Boltzmann theory. The electrical conductivity exhibits anisotropic behavior while the Seebeck coefficient is almost isotropic. At the optimal doping level and room temperature, bulk black-P and phosphorene are found to have large thermoelectric power factors of 118.4 and 138.9 μWcm-1K-2, respectively. The maximum dimensionless figure of merit (ZT value) of 0.22 can be achieved in bulk black-P by appropriate n-type doping, primarily limited by the reducible lattice thermal conductivity. For the phosphorene, the ZT value can reach 0.30 conservatively estimated by using the bulk lattice thermal conductivity. Our results suggest that both bulk black-P and phosphorene are potentially promising thermoelectric materials.

연구 동기 및 목표

• 처음 원리에 기반한 전자 구조 계산을 사용하여 백 인산화물과 그 이중층 형태인 황백석의 열전 성능을 평가하기.
• 실온 조건에서 백-P와 황백석의 이방성 전자 운반 성질을 분석하기.
• 열전력 인자와 열전도도 계수(ZT)를 최대화하는 데 최적의 도핑 수준을 규명하기.
• 이들 물질에서 ZT 값이 제한되는 데 있어 격자 열전도도의 역할을 평가하기.

제안 방법

• 백-P와 황백석의 전자 밴드 구조와 상태 밀도를 결정하기 위해 처음 원리에 기반한 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 일정한 릴랙세이션 시간 근사에서 반고전적 볼츠만 운반 이론을 사용하여 전자 운반 계수를 계산하였다.
• 열전력 인자는 S²σ로 계산되었으며, 여기서 S는 세이벡 계수이고 σ는 전기 전도도이다.
• ZT는 ZT = (S²σT)/κ 식을 사용하여 추정되었으며, κ는 전자 기여와 격자 기여로 분리되었다.
• 최적의 n형 도핑 수준에서 실온에서의 운반 성질을 평가하여 성능을 최대화하였다.
• 황백석의 ZT 잠재력을 보수적으로 평가하기 위해 격자 열전도도를 보편적인 부피 값으로 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 백 인산화물과 황백석의 열전력 인자는 각각 얼마인가?
• RQ2 이방성으로 인해 백-P와 황백석의 전기 전도도는 방향에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 최적의 n형 도핑 조건에서 부직성 백 인산화물과 황백석에서 도달할 수 있는 최대 ZT 값은 얼마인가?
• RQ4 이들 물질에서 ZT 값이 격자 열전도도에 의해 어느 정도 제한되는가?

주요 결과

• 최적의 n형 도핑 및 실온 조건에서 부직성 백 인산화물의 열전력 인자는 118.4 μWcm⁻¹K⁻²에 도달한다.
• 동일한 조건에서 황백석은 138.9 μWcm⁻¹K⁻²의 더 높은 열전력 인자를 나타내어 우수한 성능 잠재력을 보이고 있다.
• 부직성 백 인산화물의 최대 ZT 값은 0.22이며, 상대적으로 높은 격자 열전도도로 인해 제한된다.
• 보수적인 추정에 따르면, 부피 격자 열전도도 값을 사용할 경우 황백석의 ZT는 0.30로 추정된다.
• 백-P와 황백석에서 전기 전도도는 강한 이방성을 보이며, 세이벡 계수는 거의 이방성이 없다.
• 이들 물질은 높은 열전력 인자와 유리한 전자 운반 특성을 지녀 열전 재료로서 강력한 잠재력을 지닌다.