【摘 要】
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基于范德华相互作用垂直堆叠的二维异质结材料表现出杂化层间耦合效应及新颖的物理性能,备受关注。近年来,四六族二元化合物热电材料的研究层出不穷,且低维化可实现对其热电性能的进一步优化。实验上成功合成出范德华异质结SnS/SnSe薄膜,然而,至今未有关于超薄少层SnS/SnSe异质结的电、热电性能研究。为进一步探索具有潜在高热电性能的二维材料和结构,揭示范德华异质结的层间耦合效应对电子结构及热电性能的影
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基于范德华相互作用垂直堆叠的二维异质结材料表现出杂化层间耦合效应及新颖的物理性能,备受关注。近年来,四六族二元化合物热电材料的研究层出不穷,且低维化可实现对其热电性能的进一步优化。实验上成功合成出范德华异质结SnS/SnSe薄膜,然而,至今未有关于超薄少层SnS/SnSe异质结的电、热电性能研究。为进一步探索具有潜在高热电性能的二维材料和结构,揭示范德华异质结的层间耦合效应对电子结构及热电性能的影响,我们基于第一性原理计算和玻尔兹曼输运理论对单、双层SnS、SnSe和异质结SnS/SnSe进行了系统的研究。此外,大量研究表明范德华材料的电子结构对外部应变非常敏感,因此我们进一步研究了应变工程对范德华异质结SnS/SnSe微观结构、电子性质及热电性能的影响。(1)系统地研究了单、双层SnS、SnSe及SnS/SnSe异质结的几何构型和电子性能。分子动力学模拟表明五种结构均稳定存在,且异质结的层间结合力介于双层SnS和SnSe之间。五种结构均为间接带隙半导体,而异质结SnS/SnSe的能带排列类型为type-Ⅰ(0.6e V)。异质结的能带结构更接近于双层SnSe,杂化层间耦合作用产生了明显的层间电荷转移。我们的工作表明范德华异质结层间耦合效应对微观结构及电性能具有显著的调节作用。(2)系统地研究了单、双层SnS、SnSe和异质结SnS/SnSe的电子输运与热电性能。SnS、SnSe体系的热电性能表现出显著的层依赖关系(尺寸效应),而SnS/SnSe异质结具有显著的层间耦合效应。总体情况下,SnS/SnSe异质结的功率因子介于双层SnS和SnSe之间,但在载流子浓度为1019~5×1020cm-3时,P型异质结armchair方向显示出优于其他双层结构的热电性能。我们的工作表明异质结层间耦合效应是二维热电材料在尺寸效应之外又一个调控途径,且在高性能的热电材料领域具有广阔的发展前景。(3)系统地研究了SnS/SnSe异质结在不同应变状态下的热电性能。根据应变状态我们定义了:BBC、SAC-Se BC、SBT-Se BC、SBT-Se AT&ZC、BBT-a、BBT-b六种应变构型。晶格膨胀使原子间相对位置发生改变,原子间键合特性及强度发生变化,导致其能带结构甚至晶体结构发生变化。布里渊区中高对称点对应变敏感程度不同,从而实现热电性能调控。总的来说,通过施加压缩应变可实现SnSe层晶体结构相变及两层应变状态差异化,结构与应变差异越大,热电性能越好。SAC-Se BC和SBT-Se BC的armchair方向均具有突出的功率因子,分别为160000μW/m K2(N型,3×1021cm-3)、143000μW/m K2(P型,2×1019cm-3)和56900μW/m K2(N型,1022cm-3)、70200μW/m K2(P型,1021cm-3),这可以归因于两种结构沿着armchair方向的电导率得到极大的优化。我们的工作提供了应变对二维范德华异质结的热电调制的理论证据,作为应变调控的补充策略。
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