[论文解读] Doping effect on thermoelectric properties of MoS$_2$

Huaihong Guo, Teng Yang+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2012

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究采用第一性原理计算与玻尔兹曼输运理论，研究了p型掺杂MoS₂的热电性能。在面内方向，最优掺杂浓度约为10¹⁹ cm⁻³，在700 K时实现ZT值为0.3，电导率与电子热导率表现出显著各向异性，而热功率各向异性可忽略，有利于面内热电应用。

ABSTRACT

We systematically study thermoelectric properties of layered MoS$_2$ by doping, based on Boltzmann transport theory and first-principles calculations. We obtain optimal doping region (around 10$^{19}$ cm$^{-3}$) by looking closely to the temperature and doping level dependent thermopower, electrical conductivity, power factor (PF) and ultimately figure of merit (ZT) coefficient along in-plane and cross-plane directions. MoS$_2$ has a vanishingly small anisotropy of thermopower but a big anisotropy of electrical conductivity and electronic thermal conductivity in optimal doping region. $κ_e$ is comparable to $κ_l$ in the plane while $κ_l$ dominates over $κ_e$ across the plane. ZT can reach as high as 0.3 at around 700 K. In-plane direction is demonstrated to be more preferable for thermoelectric applications of MoS$_2$ by doping.

研究动机与目标

• 采用第一性原理与玻尔兹曼输运理论，系统研究p型掺杂MoS₂的热电性能。
• 确定最大化热电优值ZT的最优掺杂浓度与温度范围。
• 分析热功率、电导率与电子热导率在面内与垂直方向的各向异性输运行为。
• 评估电子散射时间各向异性对输运性质方向差异的影响。
• 评估通过随机堆叠等微结构工程降低晶格热导率以提升ZT的潜力。

提出的方法

• 采用WIEN2K软件包进行从头算电子能带结构计算，交换关联泛函采用广义梯度近似（GGA-PBE）。
• 通过BOLTZTRAP代码实现玻尔兹曼输运理论，计算热功率、电导率、功率因子与电子热导率。
• 假设电子散射时间为能量无关，以避免输运计算中引入可调参数。
• 采用Kim等人[29]的实验数据拟合晶格热导率（κₗ），表达式为κ = 183.103/T + 0.412671，用于估算总热导率。
• 利用Wiedemann-Franz定律计算κₑ，并结合实验拟合的κₗ，计算ZT，公式为ZT = (S²σT)/κ。
• 系统调节空穴掺杂浓度（10¹⁵–10²⁰ cm⁻³）与温度（100 K–700 K），绘制ZT与输运函数的分布图。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MoS₂中，最大化热电优值ZT的最优掺杂浓度为何？
• RQ2 热功率、电导率与电子热导率的方向各向异性如何随掺杂浓度与温度变化？
• RQ3 在面内与垂直方向，电子热导率与晶格热导率的相对贡献如何？
• RQ4 电子散射时间各向异性在多大程度上影响输运性质的方向差异？
• RQ5 通过微结构工程（如随机堆叠）降低晶格热导率，能否使MoS₂的ZT超过0.3？

主要发现

• 在宽掺杂范围（10¹⁷–10²⁰ cm⁻³）内，热功率超过200 μV/K，且在掺杂浓度>10¹⁷ cm⁻³时，面内与垂直方向的热功率各向异性可忽略。
• 电导率与电子热导率表现出显著各向异性，由于散射时间各向异性，σₓₓ与κₑˣˣ比σ_zz与κₑzz大两个数量级。
• 在面内方向，电子热导率（κₑˣˣ）与晶格热导率（κₗˣˣ）相当；而在垂直方向，κₗᶻᶻ远高于κₑᶻᶻ。
• 在面内方向，载流子浓度约为10¹⁹ cm⁻³、温度为700 K时，最大ZT达到0.3，且ZT在此条件下保持饱和。
• 由于功率因子与ZT更高，面内方向显著优于垂直方向，更适用于热电应用。
• 通过微结构调控（如随机堆叠）进一步降低晶格热导率，可能使ZT超过0.3，但需验证其对电输运性能的影响。