二維資料由於尺寸的極大减小,在電子設備微型化的當下具有很好的應用潜力,因而受到廣泛關注。對於電子器件和熱電器件,需要資料具有好的電輸運特性。探索高遷移率和高熱電優值二維資料是當前研究的一個重要方向。最近,理論預測了單層α-Te的穩定存在[Zhu et al.,Phys. Rev. Lett. 119,106101(2017)],不同於以往熱電資料多為複雜晶格結構的化合物,單層α-Te為簡單晶格的單元素體系。
李武研究員課題組通過分析單層α-Te的物理特性,認為其會具有很好的熱電效能,並通過第一性原理計算得到驗證。計算發現N型單層α-Te的熱電優值在300-700 K的溫度區間可以達到0.55-1.46;同時,電子遷移率高達2500-630 cm2/Vs。進一步研究發現,由於ZA聲子對電子的散射起主導作用,通過施加應力,ZA聲子由二次關係轉變為線性關係,ZA聲子數極大减少,使得聲子散射作用减弱,電子遷移率和熱電優值都新增。當施加4%的應力時,在300-700 K溫度區間,電子遷移新增到8000-1500 cm2/Vs;熱電優值提高到0.94-2.03,與當前最先進的三維熱電資料相近。
圖:不同應力作用下N型單層α-Te的(左)遷移率和(右)熱電優值
研究結果發表於ACS Applied Materials & Interfaces,標題為“Strain-Induced Ultrahigh Electron Mobility and Thermoelectric Figure of Merit in Monolayerα-Te”。論文第一作者是馬金龍副研究員(現為華中科技大學教師),合作者包括克萊姆森大學(美國)的博士生孟繁臣(共同指導)、Jian He教授,以及鄭州大學的賈瑜教授。研究工作受國家自然科學基金,廣東省自然科學基金和深圳市科創委學科佈局專案資助。
李武研究員2008年以來一直從事熱、電以及熱電輸運的研究工作,通過發展計算方法和開發計算工具,極大地推動了微納尺度傳熱和熱電資料等領域的發展。
論文連結:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c10236