【摘 要】
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热电材料能够实现热和电之间的相互转换,对解决能源短缺和环境污染有重要的应用价值。结构低维化是提高热电性能的重要途径之一,最近,二维锡磷化物SnP3和锡硫化物SnSe2、SnS2被发现是具有超低晶格热导率的热电材料。在本文,我们利用第一性原理结合玻尔兹曼输运理论,研究了应力和异质结构对这三个二维材料热电性质的影响,得到以下主要结果:首先,我们研究了单层SnP3在施加双轴应力下的电子结构和热电性质。我
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热电材料能够实现热和电之间的相互转换,对解决能源短缺和环境污染有重要的应用价值。结构低维化是提高热电性能的重要途径之一,最近,二维锡磷化物SnP3和锡硫化物SnSe2、SnS2被发现是具有超低晶格热导率的热电材料。在本文,我们利用第一性原理结合玻尔兹曼输运理论,研究了应力和异质结构对这三个二维材料热电性质的影响,得到以下主要结果:首先,我们研究了单层SnP3在施加双轴应力下的电子结构和热电性质。我们发现单层SnP3具有“布丁模型（pudding-mold-type）”价带结构,即同时具有平带和强色散带特征,导致p型塞贝克系数和p型电导率都很大,因此p型功率因子也很高。双轴压缩应力可以减小能隙,在应力为-6%时发生半导体-金属的性质转变。相反,双轴拉伸应力使能隙增大,提高了n型塞贝克系数,降低了n型电导率。虽然双轴拉伸应力使功率因子降低,晶格热导率变大,热电优值变小,但单层SnP3依然是一个较好的热电材料。比如在6%拉伸应力下的室温晶格热导率仅为4.1 Wm-1K-1,700K时的p型热电优值可以达到2.01。其次,我们比较研究了单层SnSe2和SnS2以及双层垂直范德瓦尔斯异质结SnS2/SnSe2的热电输运性质。结果表明,同单层SnSe2和SnS2一样,异质结的电子迁移率远高于空穴。异质结的导带和价带都比单层的变得更加色散,导致电子和空穴的迁移率都比单层的高。异质结中声学支和光学支之间的耦合比单层中的更强。异质结的晶格热导率介于两个单层的热导率之间,室温下为4.85 Wm-1K-1,低频光学支对晶格热导率也有较大贡献。优良的电子热输运性质和较低的晶格热导率使得SnS2/SnSe2异质结在热电器件中有着潜在的应用。
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