La traction biaxiale améliore les performances thermoélectriques de la monocouche d'InSe

Résumé

L'ingénierie par contrainte offre une voie pratique pour adapter les propriétés physiques des matériaux bidimensionnels (2D) en raison de leur flexibilité exceptionnelle. Dans cette étude, nous étudions systématiquement comment la traction biaxiale influence les propriétés électroniques, phononiques et thermoélectriques d'une monocouche d'InSe en utilisant des calculs aux premiers principes. Nous trouvons qu'appliquer jusqu'à 6 % de contrainte réduit la conductivité thermique réseau de 25,9 à 13,1 W m⁻¹ K⁻¹ en amplifiant la diffusion phononique anharmonique, en abaissant les vitesses de groupe des phonons et en diminuant la capacité thermique. Par conséquent, le facteur de mérite thermoélectrique ZT est significativement amélioré, démontrant que la traction est une stratégie efficace pour améliorer la performance thermoélectrique de l'InSe.

Introduction

Depuis la découverte du graphène, les semi-conducteurs bidimensionnels ont attiré un intense intérêt de recherche pour leurs propriétés électroniques, optiques et mécaniques remarquables. Les monocouches de métaux-chalcogénures, en particulier, ont émergé comme candidats prometteurs pour la nanoélectronique et la nanophotonique [1-4]. Le séléniure d'indium (InSe) est un composé lamellaire III-VI qui a récemment attiré l'attention en raison de sa haute mobilité de porteurs, de sa flexibilité mécanique robuste et de son potentiel dans les dispositifs optoélectroniques. Des efforts expérimentaux ont réussi à fabriquer des monocouches et quelques couches d'InSe via des voies physiques (ex. exfoliation mécanique, épitaxie par faisceau moléculaire) [5-10] et chimiques [11-14], et démontré leur applicabilité dans les capteurs [15], photodétecteurs et transistors à effet de champ [5,6,16,17].

Contrairement à de nombreux autres semi-conducteurs 2D, l'InSe exhibe une structure de bande distinctive présentant un maximum de bande de valence plat et un minimum de bande de conduction parabolique, qui ensemble lui confèrent un coefficient Seebeck élevé et un facteur de puissance favorable [18,19]. Sa conductivité thermique réseau, cependant, reste modeste, se situant entre celle du graphène et des monocouches de SnSe [18,19]. La combinaison de haute conductivité électrique et de faible conductivité thermique fait de l'InSe un candidat attractif pour les applications thermoélectriques.

Méthodologie

Les calculs aux premiers principes ont été effectués en utilisant le paquet de simulation ab initio de Vienne (VASP) [24-26] avec la méthode des ondes augmentées projetées (PAW) et l'approximation de densité locale (LDA) [27-29]. Un espacement vide de 12 Å le long de l'axe c élimine les interactions inter-couches parasites. Pour la relaxation structurale, nous avons employé une grille de k-points 21 × 21 × 1, tandis que les propriétés électroniques ont été calculées sur un maillage plus dense 31 × 31 × 1. La coupure d'onde plane était fixée à 500 eV, et les seuils de convergence étaient 10⁻⁴ eV pour l'énergie totale et 10⁻³ eV Å⁻¹ pour les forces.

Les coefficients de transport électronique ont été obtenus dans l'approximation du temps de relaxation constant en utilisant BoltzTraP [30,31]. Le coefficient Seebeck S, la conductivité électrique σ, et la conductivité thermique électronique κₑ sont dérivés de la fonction de distribution de transport comme décrit dans les équations (1)–(3). Les temps de relaxation des porteurs τ ont été estimés à partir de la théorie du potentiel de déformation [43,44], où la mobilité μ est liée au module élastique C, à la constante de potentiel de déformation E₁, et à la masse effective m*. Pour chaque état de contrainte, nous avons extrait C de la dérivée seconde de l'énergie totale par rapport à la contrainte et E₁ du décalage des bords de bande.

Le transport phononique a été traité avec ShengBTE [32], qui résout l'équation de Boltzmann pour les phonons. Les constantes de force harmoniques ont été calculées via la théorie de la perturbation de la fonctionnelle de la densité sur une supercellule 5 × 5 × 1, tandis que les constantes de force anharmoniques ont été obtenues par une méthode de différences finies sur une supercellule 4 × 4 × 1. Les relations de dispersion phononique ont été générées en utilisant Phonopy [35].

Résultats et discussion

Structure cristalline et géométrie de la contrainte

Dans la configuration relaxée, la monocouche d'InSe consiste en un sandwich Se–In–In–Se formant un réseau en nid d'abeille. La constante de maille d'équilibre est a₀ = 3,95 Å. La traction biaxiale δ = (a − a₀)/a₀ × 100 % a été appliquée en préservant la symétrie cristalline. La contrainte augmente la longueur de liaison In–Se et l'angle de liaison In–Se–In (voir Fig. 1b).

La traction biaxiale améliore les performances thermoélectriques de la monocouche d InSe — a Vue de dessus et vue de côté de la monocouche InSe. Boules roses et vertes représentent les atomes In et Se, respectivement. b Variation de la longueur de liaison et de l'angle de liaison avec l'augmentation de la traction biaxiale. La cellule unité de base a₀ × a₀ et la supercellule x × y de la monocouche InSe sont dénotées par des lignes pointillées rouges et bleues, respectivement

Structure de bande électronique

La monocouche non contrainte est un semi-conducteur indirect avec un gap de 1,67 eV, le minimum de bande de conduction situé au point Γ et le maximum de bande de valence entre Γ et K. La bande de valence exhibe une dispersion en chapeau mexicain, une marque de fabrique de nombreux semi-conducteurs 2D [36-39]. La traction abaisse le minimum de bande de conduction plus fortement que la bande de valence, réduisant le gap de bande. À 6 % de contrainte, le gap se rétrécit significativement, et la convergence des vallées de bande de conduction est supprimée, augmentant la séparation d'énergie entre vallées.

Coefficients de transport

En utilisant la structure électronique calculée, nous avons calculé le coefficient Seebeck S(μ) en fonction du potentiel chimique à 300 K. Le maximum de S diminue avec la contrainte, reflétant le gap de bande réduit. La conductivité électrique σ/τ suit la concentration de porteurs, et avec les temps de relaxation dérivés ci-dessus, σ augmente pour les systèmes fortement p-dopés sous contrainte, en raison de la mobilité des trous améliorée. La conductivité thermique électronique κₑ obéit à la loi de Wiedemann-Franz. Le facteur de puissance PF = S²σ/τ montre une légère réduction avec la contrainte, comme illustré Fig. 3d.

Conductivité thermique phononique

La conductivité thermique réseau κₗ a été calculée à partir de l'équation de Boltzmann pour les phonons. Dans le cas non contraint, κₗ = 25,9 W m⁻¹ K⁻¹ à 300 K, en accord avec les travaux antérieurs [19]. L'application de 6 % de traction divise κₗ par deux à 13,1 W m⁻¹ K⁻¹. La réduction provient de trois effets imbriqués : (i) taux de diffusion phononique anharmonique augmentés, (ii) vitesses de groupe des phonons diminuées — surtout dans les branches acoustiques longitudinales et transversales — et (iii) capacité thermique phononique abaissée due à un mode ZA adouci et une densité d'états réduite. La Figure 4c montre les dispersions phononiques ; la branche ZA évolue de quadratique à quasi-linéaire, et les modes optiques se décalent vers des fréquences plus basses sous contrainte.

Facteur de mérite

En combinant les contributions électroniques et réseau, on obtient le facteur de mérite thermoélectrique ZT = S²σT/(κₑ + κₗ). À 300 K, le ZT maximal de la monocouche non contrainte est 0,36. Sous 6 % de contrainte, le pic monte à 0,52, reflétant le rôle dominant de la conductivité thermique réseau réduite. Nos résultats suggèrent que la traction biaxiale est une voie viable pour booster l'efficacité thermoélectrique de l'InSe.

Conclusion

Nous avons démontré par des calculs aux premiers principes que la traction biaxiale améliore markedly les performances thermoélectriques des monocouches d'InSe. La contrainte réduit le gap de bande et abaisse légèrement le coefficient Seebeck, mais elle améliore simultanément la diffusion phononique anharmonique, diminue les vitesses de groupe des phonons et la capacité thermique, et coupe la conductivité thermique réseau de près de 50 %. L'effet net est un facteur de mérite accru, indiquant que l'ingénierie par contrainte peut transformer l'InSe en un matériau thermoélectrique prometteur.

Disponibilité des données et matériaux

Les jeux de données générés et/ou analysés au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande.

Abréviations

2D: Deux dimensions
CBM: Minimum de bande de conduction
τ: Temps de relaxation
C_ph: Capacité thermique phononique
FET: Transistor à effet de champ
LA: Dispersion phononique acoustique longitudinale
PF: Facteur de puissance
S: Coefficient Seebeck
TA: Dispersion phononique acoustique transversale
VBM: Maximum de bande de valence
ZA: Dispersion phononique acoustique axe z
ZT: Facteur de mérite
ε_f: Niveau de Fermi
κₑ: Conductivité thermique avec contributions des porteurs électroniques
κₗ: Conductivité thermique avec contributions du réseau
σ: Conductivité électrique

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