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Giant thermoelectric effect governed by unique two-dimensional electronic structure and strong anharmonicity in layered nitrides
Physical Review B ( IF 3.2 ) Pub Date : 2024-09-11 , DOI: 10.1103/physrevb.110.115202 Mengli Yao 1 , Min Li 1 , Long Zhang 1 , Hui Wang 1
Physical Review B ( IF 3.2 ) Pub Date : 2024-09-11 , DOI: 10.1103/physrevb.110.115202 Mengli Yao 1 , Min Li 1 , Long Zhang 1 , Hui Wang 1
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Layered complex nitrides have emerged as a novel class of thermoelectric materials due to their unique geometrical and electronic structures. In this work, we employ density functional theory calculations combined with Boltzmann transport equation and thermal transport unified theory to explore the electrical and thermal transport properties and thermoelectric performance of layered nitrides . It is found that the family exhibits a large Seebeck coefficient and high power factor, ascribed to its multiband degeneracy and the presence of unique two-dimensional (2D) electronic structure. As the atomic mass of M increases, the lattice thermal conductivity decreases significantly. In particular, demonstrates ultralow lattice thermal conductivity of 0.18 W/mK at room temperature. Even after accounting for both the particlelike propagation and wavelike phonon tunneling transport, ultralow is found across a wide temperature range. The ultralow is mainly attributed to the strong anharmonicity in as reflected by the high phonon-phonon scattering rate and short phonon lifetime. Importantly, we find that -type exhibits a high figure of merit (ZT), achieving values of 2.19 at 300 K and 7.29 at 900 K, respectively. Additionally, through strain engineering, applying a moderate tensile stress of 0.5% remarkably increases the ZT of -type increases to 2.58 at 300 K and reaches a maximum of 9.02 at 900 K, respectively. The present work unveils the importance of unique 2D electronic structures and strong anharmonicity induced by the weak-bonded heavy element on the thermoelectric performance, suggesting that the layered family is a promising candidate for the development of high-performance thermoelectric devices.
中文翻译：
层状氮化物中独特的二维电子结构和强非谐性控制的巨热电效应
分层com 由于其独特的几何和电子结构，lex 氮化物已成为一类新型热电材料。在这项工作中，我们 合金密度泛函理论计算结合玻尔兹曼输运方程和热输运统一理论探索层状氮化物的电热输运特性和热电性能 。结果发现， 该家族表现出大塞贝克系数和高功率因数，这归因于其多带简并性和独特的二维（2D）电子结构的存在。随着M原子质量的增加，晶格热导率 显着减少。尤其， 表现出室温下 0.18 W/mK 的超低晶格热导率。即使在考虑了粒子状传播和波状声子隧道传输之后，超低 发现在很宽的温度范围内。超低 主要归因于强非谐性 正如高声子-声子散射率和短声子寿命所反映的那样。重要的是，我们发现 p 型 表现出较高的品质因数 ( ZT )，在 300 K 时的值分别为 2.19，在 900 K 时的值分别为 7.29。此外，通过应变工程，施加 0.5% 的适度拉伸应力可显着增加 p 型的ZT ，在 300 K 时分别增加至 2.58，并在 900 K 时达到最大值 9.02。 目前的工作揭示了独特的二维电子结构和弱键合重元素引起的强非谐性对热电性能的重要性，表明层状结构 系列是开发高性能热电器件的有希望的候选者。
更新日期：2024-09-11
中文翻译：
层状氮化物中独特的二维电子结构和强非谐性控制的巨热电效应
分层com 由于其独特的几何和电子结构，lex 氮化物已成为一类新型热电材料。在这项工作中，我们 合金密度泛函理论计算结合玻尔兹曼输运方程和热输运统一理论探索层状氮化物的电热输运特性和热电性能 。结果发现， 该家族表现出大塞贝克系数和高功率因数，这归因于其多带简并性和独特的二维（2D）电子结构的存在。随着M原子质量的增加，晶格热导率 显着减少。尤其， 表现出室温下 0.18 W/mK 的超低晶格热导率。即使在考虑了粒子状传播和波状声子隧道传输之后，超低 发现在很宽的温度范围内。超低 主要归因于强非谐性 正如高声子-声子散射率和短声子寿命所反映的那样。重要的是，我们发现 p 型 表现出较高的品质因数 ( ZT )，在 300 K 时的值分别为 2.19，在 900 K 时的值分别为 7.29。此外，通过应变工程，施加 0.5% 的适度拉伸应力可显着增加 p 型的ZT ，在 300 K 时分别增加至 2.58，并在 900 K 时达到最大值 9.02。 目前的工作揭示了独特的二维电子结构和弱键合重元素引起的强非谐性对热电性能的重要性，表明层状结构 系列是开发高性能热电器件的有希望的候选者。
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