MXn 半导体层状材料层间热电性质预测
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国家自然科学基金资助项目(11704114);湖南省自然科学基金资助项目(2019JJ60067,2020JJ4514);湖南 省教育厅科研基金资助项目(21B0548,19B159,20C0599)


Prediction of Interlayer Thermoelectric Properties of MXn Semiconductor Layered Materials
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    摘要:

    优质的热电材料要求具有“声子玻璃、电子晶体”特性,因此,基于第一性原理计算,提出在 二元 MXn 半导体层状材料中筛选具有上述特性材料的方法。因层间为范德华作用力,层状材料中面外方向 的晶格热导率都非常低,是良好的“声子玻璃”材料。而面外方向的电子输运能力与 M 元素和原子距离相 关。M 为主族元素时(例如 SnSe),因非局域的 pz 轨道和较小的原子层间距离(小于 4 ?)使电子具有良 好的层间输运性能。当 M 为过渡金属元素时(例如 MoS2),局域的 d 轨道和较大的阳离子层间距(大于 6 ?)使得电子无法在层间传输。通过阳离子 M 的层间距离大小和类型(主族元素还是过渡金属)可以对层状 材料面外方向的热电性质进行判断,为筛选出有潜力的高 ZT 热电材料提供理论指导。

    Abstract:

    Based on the fact that high quality thermoelectric materials require the combined characteristics of “phonon glass with electronic crystal”, and according to the first principle calculation, a new method has thus been proposed for screening materials with the above characteristics in binary MXn semiconductor layered materials. Due to the weak van der Waals force between the layers, the lattice thermal conductivity in the out-of-plane direction is very low, making it a good “phonon glass” material, with the electron transport ability in the out-of-plane direction related to the M element and the atomic distance. With M being the main group element (e.g. SnSe), electrons are characterized with a good interlayer transport property due to the non-local pz orbital and the small interlayer distance (<4 ?). With M being a transition metal element (e.g. MoS2), the local d orbitals and the large cation-layer spacing (>6 ?) make it impossible for electrons to travel between layers. The thermoelectric properties of the layered material in the out of-plane direction can be judged by the size and type of the interlayer distance of the cation M (main group elementor transition metal), thus providing a theoretical guidance for screening potential high-ZT thermoelectric materials.

    参考文献
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    引证文献
引用本文

肖 金,陈敏敏,张 丹,崔丽玲,何 军,陈灵娜. MXn 半导体层状材料层间热电性质预测[J].湖南工业大学学报,2022,36(1):72-83.

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  • 收稿日期:2021-02-20
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  • 在线发布日期: 2022-01-05
  • 出版日期: 2022-01-01