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Single-layer XBi2Se4 (X = Sn Pb) with multi-valley band structures and excellent thermoelectric performance

热电效应 材料科学 凝聚态物理 电子迁移率 声子 声子散射 热电材料 半导体 有效质量(弹簧-质量系统) 塞贝克系数 带隙 功勋 热导率 光电子学 热力学 复合材料 物理 量子力学
作者
Cenglin Yao,Xiaoxiao Rao,Wenyu Fang,Xiaofei Sheng,Shuang Peng,Pengcheng Zhang
出处
期刊:Ceramics International [Elsevier BV]
卷期号:49 (15): 25455-25462 被引量:11
标识
DOI:10.1016/j.ceramint.2023.05.085
摘要

Using the first-principle simulations and the Boltzmann transport equation, our study investigated the properties of single-layer SnBi2Se4 and PbBi2Se4, including stability, elasticity, electronic and thermoelectric transport properties. We discovered that both 2D materials have acceptable cleavage energies ranging from 0.27 to 0.28 J/m2 and that they are indirect semiconductors with narrow band gaps of 0.68 eV and 0.94 eV, respectively. Interestingly, the valence band maximum exhibits ‘multi-valley’ energy dispersion. Furthermore, SnBi2Se4 and PbBi2Se4 have comparable electron and hole mobility of about ∼102 cm2/Vs and ∼103 cm2/Vs, respectively resulting in high conductivity and a high thermoelectric power factor. Owing to low group velocities and strong phonon–phonon scattering rates, the materials exhibit low lattice thermal conductivities of 2.59 W/mK (SnBi2Se4) and 1.73 W/mK (PbBi2Se4). Thus, they demonstrate high thermoelectric figures of merit, namely 0.31 (SnBi2Se4) and 0.37 (PbBi2Se4) at 300 K, which rise further to 1.22 and 1.82, respectively, at 700 K. Our results suggest that these two single-layer materials are promising candidates for use in nanoelectronics and thermoelectric appliances.
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