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

文献情報

出版日 2023-11-13
DOI 10.1039/D3CP04118B
インパクトファクター 3.676
著者

Ying-Qin Lin, Qiu Yang, Zhao-Qi Wang, Hua-Yun Geng, Yan Cheng


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要旨

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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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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