【摘 要】
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SnTe,被广泛认为是一种有前途的热电材料,其二维层状结构也在实验上成功制备。量子尺寸效应可以引起令人瞩目的几何、电子、光电和热电性质,使得近年来逐渐涌现出许多新颖的二维(2D)层状材料的研究。然而,当前报道的薄膜材料热电性能通常是对尺寸、微结构和界面等因素敏感的,并不比对应的块体热电性能好。对于低维材料,理想热电性能的极限仍是一个尚未解决的问题。应用量子力学的理论工具,在不受样品制备缺陷和界面性
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SnTe,被广泛认为是一种有前途的热电材料,其二维层状结构也在实验上成功制备。量子尺寸效应可以引起令人瞩目的几何、电子、光电和热电性质,使得近年来逐渐涌现出许多新颖的二维(2D)层状材料的研究。然而,当前报道的薄膜材料热电性能通常是对尺寸、微结构和界面等因素敏感的,并不比对应的块体热电性能好。对于低维材料,理想热电性能的极限仍是一个尚未解决的问题。应用量子力学的理论工具,在不受样品制备缺陷和界面性质干扰的情况下,研究了二维SnTe的热电性能。因此,本工作系统研究了二维SnTe面外的层厚特征尺寸对热电性能的影响。此外,二维材料热电优化的层间扭转角被视为可以调控能带带隙和电、光电效应的独特方法。为阐明扭转角的有效性,我们进一步研究了不同扭转角度下的双层SnTe的电及热电性能。通过层厚控制和层间扭转工程,本工作证明了层间耦合效应在电子传输和热电性能的演变中起着重要的作用。(1)揭示了量子尺寸效应对二维SnTe材料的影响,通过研究由层间弱相互作用形成的单层(0.65 nm)到六层(3.8 nm)SnTe,发现在面外方向具有显著的量子尺寸效应特征尺寸:以3层为临界尺寸,在该层数(即临界尺寸)之上会发生载流子迁移率和弛豫时间的急剧下降,并趋于块体。因此,该临界尺寸是量子尺寸效应下的一个转折点。层厚尺寸不会改变二维SnTe的面内各向异性,在扶手椅方向上的输运性能始终高于锯齿形方向。二维SnTe电子能带结构具有明显的层依赖关系,且由于层间耦合作用以及奇数层缺少反演对称中心,奇偶数层的带隙各自具有一个下降趋势。(2)二维超薄少层SnTe(1-3 L)与SnTe块体相比,强烈的量子尺寸效应有助于增强热电性能。热电性能在单层SnTe中的表现是最优的,但是会随着层数的增加迅速衰减,6层以上接近于块体材料的特征。功率因子(PF)表现出明显的层厚可调性,主要取决于层依赖性的弛豫时间、有效质量、电导率和塞贝克系数综合作用的结果。本工作的研究为高性能热电材料的低维化尺寸策略提供了深刻的物理理解。超薄二维材料(<2 nm,3层以内)的热电性能具有低维优化特点,比块体更为优异。(3)本工作研究了层间扭转堆叠对层状热电材料性能的调控。以双层SnTe为模型,揭示了0?,90?,180?和270?扭转角度下的原子层堆叠结构,电子性质以及热电性能。随着扭转角度的改变,双层SnTe的带隙值会发生显著的增与减,导带底(CBM)和价带顶(VBM)的位置也交替变换。然而CBM和VBM都来自于相同的电子轨道贡献,它们并不受扭转效应的影响。在热电性能方面,无论是N型还是P型掺杂,当扭转到90?时,在XX方向上出现功率因子PF和热电优值ZT的最大值;当扭转到270?时,在YY方向上出现PF和ZT最大值。可见层间扭转调控是调整纳米半导体器件热电性能的一种有效方法,为二维材料的扭转工程以及未来相关热电器件的研制提供了必要的信息。
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