Four-Phonon Enhanced the Thermoelectric Properties of ScSX (X = Cl, Br, and I) Monolayers

材料科学 单层 声子 热电效应 非谐性 声子散射 半导体 凝聚态物理 散射 塞贝克系数 热电材料 兴奋剂 功勋 纳米技术 光电子学 热力学 热导率 光学 复合材料 物理
作者
J. P. Lu,Fei-Yang Xu,Yulu Zhou,Xiaoming Mo,Yifang Ouyang,Xiaoma Tao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (19): 24734-24747 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.4c03637
摘要

Recently, the FeOCl-type two-dimensional materials have attracted significant attention owing to their versatile applications in fields such as thermoelectricity and photocatalysis. This study aims to systematically investigate the thermoelectric properties of ScSX (X = Cl, Br, and I) monolayers by a combination of the first-principles calculations and the machine-learning interatomic potential approach. These monolayers are indirect semiconductors with band gaps of 3.22 (ScSCl), 3.27 (ScSBr), and 2.87 eV (ScSI), respectively. The lattice thermal conductivity is decreased by 25.72% (20.90%), 44.05% (40.00%), and 30.96% (34.76%) for ScSCl, ScSBr, and ScSI along the x-axis (y-axis) when the four-phonon scattering is introduced, indicating its important role in phonon transport. Anharmonic phonon scattering yields high Grüneisen parameter and scattering rate values, hence causing these low lattice thermal conductivities. Additionally, the large Seebeck coefficients and electrical conductivities of n-type doped ScSX monolayers contribute to their excellent power factors (24.69, 25.66, and 24.99 mW/K2·m for ScSCl, ScSBr and ScSI at 300 K, respectively). Based on the excellent power factor and low thermal conductivity, the maximum values of the figure of merit are calculated to be 2.68, 3.39, and 3.21 for ScSCl, ScSBr, and ScSI monolayers at 700 K, respectively. Our research provides valuable insights into the phonon thermal transport of ScSX monolayers and suggests a promising approach to address high-order anharmonicity.
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