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Janus 2H-MXTe (M = Zr, Hf; X = S, Se) monolayers with outstanding thermoelectric properties and low lattice thermal conductivities

凝聚态物理 声子 材料科学 热电效应 塞贝克系数 单层 声子散射 半导体 带隙 散射 兴奋剂 热导率 直接和间接带隙 杰纳斯 热电材料 光电子学 纳米技术 热力学 光学 物理 复合材料
作者
Ying-Qin Lin,Qiu Yang,Zhao‐Qi Wang,Hua-Yun Geng,Yan Cheng
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:25 (45): 31312-31325 被引量:6
标识
DOI:10.1039/d3cp04118b
摘要

Two-dimensional (2D) materials have been one of the most popular objects in the research field of thermoelectric (TE) materials and have attracted substantial attention in recent years. Inspired by the synthesized 2H-MoSSe and numerous theoretical studies, we systematically investigated the electronic, thermal, and TE properties of Janus 2H-MXTe (M = Zr and Hf; X = S and Se) monolayers by using first-principles calculations. The phonon dispersion curves and AIMD simulations confirm the thermodynamic stabilities. Moreover, Janus 2H-MXTe were evaluated as indirect band-gap semiconductors with band gaps ranging from 0.56 to 0.90 eV using the HSE06 + SOC method. To evaluate the TE performance, firstly, we calculated the temperature-dependent carrier relaxation time with acoustic phonon scattering τac, impurity scattering τimp, and polarized scattering τpol. Secondly, the calculation of lattice thermal conductivity (κl) shows that these monolayers possess relatively poor κl with values of 3.4-5.4 W mK-1 at 300 K, which is caused by the low phonon lifetime and group velocity. After computing the electronic transport properties, we found that the n-type doped Janus 2H-MXTe monolayers exhibit a high Seebeck coefficient exceeding 200 μV K-1 at 300 K, resulting in a high TE power factor. Eventually, combining the electrical and thermal conductivities, the optimal dimensionless figure of merit (zT) at 300 K (900 K) can be obtained, which is 0.94 (3.63), 0.51 (2.57), 0.64 (2.72), and 0.50 (1.98) for n-type doping of ZrSeTe, HfSeTe, ZeSTe, and HfSTe monolayers. Particularly, the ZrSeTe monolayer shows the best TE performance with the maximal zT value. These results indicate the excellent application potential of Janus 2H-MXTe (M = Zr and Hf; X = S and Se) monolayers in TE materials.
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