关于掺砷单层黑磷热电传输特性的研究

《Micro and Nanostructures》：Study on thermoelectric transport properties of As-doped monolayer black phosphorene

本研究通过第一性原理计算和玻尔兹曼输运理论，系统研究砷掺杂单层黑磷（AsP15）的热电性能。实验表明，掺杂显著降低声子热导率（300K时ZZ方向32.09 W·m?1·K?1，AC方向5.051 W·m?1·K?1），提升载流子浓度，使热电优值ZT在300K时达2.56（n型）和0.77（p型），700K时分别增至5.51和2.74，证明其作为新型热电材料的潜力。

　　

刘新浩|刘远超|李子硕|李博涵|常乐涛

北京石油化工技术学院机械工程学院，中国北京102617

摘要

单层黑磷（α-P）是一种由剥离的黑磷晶体衍生出的二维结构，具有可调的直接带隙和各向异性的热电传输特性。在本研究中，基于第一性原理计算和玻尔兹曼传输理论，将砷（As）原子掺入α-P（AsP₁₅）中，导致热导率降低和自由电子浓度增加，从而显著提高了热电优值。掺杂缺陷增加了非谐声子散射，降低了声子群速度。在300 K时，AsP₁₅沿ZZ和AC方向的热导率分别为32.098 W·m^-1·K^-1和5.051 W·m^-1·K^-1，远低于α-P的热导率。此外，沿AC方向，n型和p型掺杂的最高ZT值分别为2.56和0.77，比α-P提高了约1.5倍。在700 K时，n型和p型掺杂的ZT值可进一步提高至5.51和2.74。这些结果表明AsP₁₅具有优异的热电传输性能，使其成为热电应用的有希望的材料。

章节摘录

引言

随着全球能源需求的快速增长，节能和低碳发展已成为各国共识。热电技术利用热电材料进行热量回收，是一种有前景且高效的能量节约和减排方法。因此，寻找具有半导体特性的新型纳米材料或通过各种调控方法修改天然纳米材料已成为当前的研究趋势。

晶体结构

AsP₁₅的化学式表示单位晶胞中As和P原子的数量，对应的As掺杂浓度为6.25%。AsP₁₅的结构如图1(a)-(b)所示，紫色原子代表P原子，黄色原子代表As原子。方框内包含了结构的最小单元。在X轴方向上，AsP₁₅具有扶手椅（AC）边界；在Y轴方向上，具有之字形（ZZ）边界。平面内的P-As键长表示为d₁。

热传输特性

使用PHONOPY代码计算了AsP₁₅的声子色散关系，并显示在图2中。

图2表明AsP₁₅具有48个声子分支。在Γ点附近，声子色散的虚部频率可以忽略不计，即使在严格的收敛性测试后也是如此。这些微小的软模式对系统的整体动态稳定性和热力学性质影响甚微，因此可以认为该结构在动态上是稳定的。

结论

本研究基于第一性原理计算和玻尔兹曼传输理论，深入探讨了掺杂As的单层α-P的热电传输特性。结果表明，砷原子的掺杂增加了声子的非谐散射并降低了声子群速度。在300 K时，AsP₁₅沿ZZ和AC方向的热导率分别为32.09 W·m^-1·K^-1和5.051 W·m^-1·K^-1。n型和p型掺杂的最高ZT值分别为...

作者贡献声明

常乐涛：方法学研究。李博涵：方法学研究。李子硕：软件开发。刘新浩：撰写初稿、数据可视化、软件处理及形式分析。刘远超：撰写修订稿、资金申请

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：51106012）的财政支持。