具有高热电性能的Janus Mo?S??O交替磁体中的大型压电谷结构

二维Janus Mo?S?O单层具有反铁磁有序、压电响应及优异热电性能，其Néel温度达550 K，电子结构呈现强动量依赖自旋分裂与带隙（1.15 eV），应变可诱导显著的压电 valleys极化（334 meV），热电优值ZT≈0.97，为低品位废热回收和自旋- valleys器件提供新平台。

　　

Fazle Subhan|Luqman Ali|Zhansheng Lu|Joonkyung Jang

韩国釜山国立大学纳米能源工程系，釜山46241

摘要

替代磁体是一类新兴的磁性材料，它们在保持零净磁化的同时展现出对称性保护的自旋分裂特性，为基于自旋和能级的功能提供了新的可能性。在本研究中，发现了一种二维Janus Mo₂S₂O单层材料，它具有优异的磁性、机电性和热电性。该系统处于一个补偿的反铁磁基态，奈尔温度约为550 K，确保了远高于室温的磁稳定性。其电子结构显示出一个1.15 eV的带隙，并且在X和Y能级处存在近300 meV的强动量依赖性自旋分裂。单轴应变有效地打破了面内对称性，诱导出了巨大的压电能级极化，产生了高达334 meV的价带能级分裂。Janus结构还带来了强烈的垂直于平面的压电响应，压电系数d₃₁为16.2 pm/V，突显了显著的机电耦合。热电传输计算表明，在300 K时塞贝克系数为1.52 mV K^-1，晶格热导率较低，而在500 K时热电优值接近0.97。这些综合性能使得Janus Mo₂S₂O成为一种有前景的平台，适用于应变控制的自旋-能级器件和低温废热能量转换。

引言

工业和家庭过程中产生的大量热能在相对较低的温度下释放，通常在300 K至520 K范围内。这种低品位的热能可能占总废热的一半以上，但由于可用温度梯度的限制，其有效利用非常困难。热电材料提供了一种将这种温差直接转化为电能的固态方法，具有无运动部件、运行安静和长期稳定等优点。热电材料的性能通过无量纲优值ZT来量化。要实现高ZT，需要达到一个微妙的平衡：较大的功率因子（S²σ）与较低的热导率。由于电子传输系数S、σ以及电子对热导率的贡献κ_e都与电子能带结构密切相关，改善其中一个参数往往会对其他参数产生不利影响。相比之下，晶格热导率（κ_l）更容易独立调节。已经成功采用了多种策略，如化学合金化[6]、界面和纳米结构工程[7]以及增强晶格非谐性[8]来通过增加声子散射来降低κ_l。

传统的热电材料如Bi₂Te₃和PbTe在实际条件下的ZT值接近1[9]。然而，大规模废热回收应用需要更高的效率，通常要求ZT约为2或更高[10]。许多磁性材料难以达到这一水平，因为强磁相互作用往往会恶化电荷传输[11, 12, 13, 14]。尽管如此，最近的研究表明，磁序可以部分缓解S、σ和κ_e之间的内在耦合，为提高热电性能开辟了新的途径[15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23]。例如，在Bi₂Te₃中仅替换1%的Cr就被证明可以显著提高塞贝克系数，并在400 K左右使ZT值增加近25%[24]。此外，磁序可以增强自旋-声子耦合，从而增强声子散射并降低κ_l，进一步提高整体热电效率[25, 26, 27]。最近，一类被称为替代磁体的新型磁性材料引起了广泛关注。这些材料在其电子能带中表现出对称性保护的自旋分裂，同时保持完全补偿的磁序和零净磁化[28]。这种非传统的电子结构暗示了不寻常的电荷和热传输现象的潜力。一个著名的例子是RuO₂，它被实验验证为一种替代磁体，据报道具有异常的热传输行为[29]。尽管具有这些有趣特性，替代磁体的热电性能仍大部分未被探索。在二维极限下，一些材料理论上被预测具有由特殊形式的反铁磁排列引起的替代磁序。代表性的例子包括Cr₂O₂和V₂Se₂O[30, 31, 32]，即使总磁矩消失，这些系统也表现出明显的自旋分裂。然而，这些系统保留了反演对称性，这禁止了有限的压电响应。因此，它们无法展示耦合的压电和替代磁体功能。这一限制激发了寻找同时具有替代磁性和压电性的二维材料的探索，这种组合被称为二维压电替代磁体。识别这类材料在科学上具有重要意义，并且技术上具有挑战性。

可以从相关材料类别中获得鼓舞。已经提出了一些二维压电材料，其中磁序和压电性共存[33, 34]。这些系统的共同特点是具有Janus结构，不同原子种类占据单层的顶部和底部表面。这种结构不对称性打破了面外镜像对称性，自然诱导出了强烈的压电响应[35]。另一个关键方面是控制二维替代磁体中的自旋极化。虽然这些材料具有补偿的磁序，但通常需要外部刺激来激活自旋极化的电子态。在各种方法中，机械应变特别有效。通过修改晶格参数和磁交换相互作用，应变可以诱导出显著的自旋极化并增强内在的替代磁体自旋分裂。因此，应变工程是一种强大且实用的方法，用于调节二维压电替代磁体的功能特性。在本研究中，我们研究了二维替代磁体Janus材料Mo₂S₂O。我们的结果表明，该系统在500 K时的热电优值高达约0.97。此外，预测的奈尔温度约为550 K，证实了反铁磁序在整个工作温度范围内保持稳定。除了热电性能外，Mo₂S₂O还表现出明显的压电能级效应，其中机械应变诱导了不等能级之间的显著能量分裂。晶格变形与能级极化之间的强耦合为电荷和自旋传输提供了额外的控制程度。强大的替代磁性、大的压电能级极化和高热电效率共同使得Janus Mo₂S₂O成为低温废热回收和能级控制纳米电子应用中非常有前景的多功能材料。

计算部分

计算部分

所有第一性原理计算均使用维也纳从头算模拟包（VASP）[36]进行。为了正确描述Mo-3d态的局域特性，采用了GGA+U方法处理电子-电子关联，有效原位库仑相互作用为U = 3.5 eV，这与早期关于Mo基化合物的理论研究结果一致[37]。采用850 eV的平面波能量截止值以确保总能量的高数值精度。

结果与讨论

图1(a)和(b)分别展示了优化后的Mo₂S₂O Janus单层的顶视图和侧视图。该结构以四方晶格（空间群P4mm，编号99）结晶，优化的面内晶格常数为4.17 ?。Janus特性源于由于阴离子的不对称分布而打破的面外镜像对称性，硫原子和氧原子位于单层的相对两侧。每个Mo原子同时与O和S原子配位，形成了一个畸变的

结论

在本研究中，Janus Mo₂S₂O单层被证明是一个罕见的二维平台，它在一个材料中整合了替代磁性、压电性、压电能级极化和热电功能。该系统处于稳定的补偿反铁磁基态，奈尔温度接近550 K，表明磁序在整个工作温度范围内保持稳定。电子结构显示出了明显的

CRediT作者贡献声明

Zhansheng Lu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资源提供。Joonkyung Jang：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，项目管理，资金获取，正式分析。Fazle Subhan：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，研究，概念化。Luqman Ali：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究

利益冲突

作者没有利益冲突。

利益冲突声明

作者声明本文所述工作未受到任何已知财务利益或个人关系的影响。

致谢

本研究得到了工业技术创新计划（RS-2024-00435432：利用基于等离子体的光系统开发高性能和长寿命的氨分解制氢技术）的支持，该计划由贸易工业部（MOTIE）资助。这项研究还得到了科学和信息通信技术部通过国家研究基金会资助的Brain Pool计划（RS-2025-25396197）的支持。