Implications of the anisotropic Mexican-hat band structure in 2D materials on their thermoelectric properties: An analytical and computational investigation

İki boyutlu (2D) malzemelerin elektronik bant yapıları, değerlik bandı kenarı yakınında çoğu zaman parabolikten saparak belirgin biçimde anizotropik özellikler sergiler. Momentum uzayında halka biçimli bir enerji ekstremumu ile karakterize edilen Meksika-şapka benzeri dağılım, özellikle ilgi çekici bir durum. Bu topoloji, 2D durum yoğunluğunda (DOS) bir van Hove tekilliği ve elektronik iletim spektrumunda keskin bir eşik oluşturur; her ikisi de termoelektrik performansı önemli ölçüde artırabilir. Ancak gerçek malzemelerde bu dağılımlar sıklıkla açısal anizotropi gösterir; bu da DOS tekilliğini kaydırır ve taşınım verimini düşürür. Bu tezde, Meksika-şapka benzeri bant yapılarındaki anizotropi ile termoelektrik özellikler arasındaki etkileşimi bir 2D malzeme ailesi genelinde inceliyoruz. Birinci ilke yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) ve yoğunluk fonksiyonel pertürbasyon teorisi (DFPT) hesaplamalarını kullanarak, PbBrF, PbClF, PbIF, BaHI, BiOCl, CaHBr ve SrHI olmak üzere yedi tek katmanlı bileşiği sistematik biçimde inceliyoruz. Her malzeme için yapısal optimizasyon, elektronik bant yapısı analizi ve fonon kararlılık denetimleri gerçekleştiriyoruz. Termoelektrik taşınım katsayıları, yarı-klasik Boltzmann taşınım denklemi çerçevesinde BoltzTraParacılığıyla hesaplanmakta ve PbXF bileşikleri için spin–yörünge etkileşimi (SOC) dâhil edilmektedir. Örgü (fonon sınırlı) ısı iletkenliği, thirdorder.py ile elde edilen üçüncü mertebe kuvvet sabitleri ve ShengBTE kullanılarak değerlendirilmektedir. Meksika-şapka özelliklerini analitik olarak yorumlamak amacıyla, en yakın ve ikinci en yakın komşu zıplama genliklerinin oranı (ξ = t2/t1) ve açısal anizotropi terimi β ile parametrelenen bir sıkı-bağ modelini kullanıyoruz. ξ ve β'nın bant kenarının eğriliğini ve şeklini birlikte nasıl denetlediğini ve böylece termoelektrik yanıtı nasıl ayarladığını gösteriyoruz. PbXF serisi genelinde SOC, değerlik kenarı tekilliğini bastırır ve p-tip performansı düşürme eğilimindeyken, iletim kenarını keskinleştirerek n-tip yanıtı ılımlı biçimde artırabilir. Fonon hesapları (ikinci ve üçüncü mertebe kuvvet sabitleri; ShengBTE),yumuşakoptikmodlar vegüçlü üç-fonon saçılmaları nedeniyle örgü ısı iletkenliğinin doğası gereği düşük olduğunu ortaya koymaktadır. Bant yapısı mühendisliğine bir örnek olarak, SrHI'ye 0–6% aralığında çift eksenli çekme gerinimi uyguluyor ve gerinimin Meksika-şapkası anizotropisini azalttığını, şapka yüksekliği ile halka yarıçapını bir miktar düşürdüğünü ve DOS eşiğini keskinleştirdiğini gösteriyoruz. Mott ilişkisiyle uyumlu olarak, p-tip S ve güç faktörü (iletkenlikte hafif bir ödün pahasına) iyileşmektedir. Buna karşılık, modların yumuşaması ve anharmonik faz uzayının genişlemesiyle örgü ısı iletkenliği azalır. Sonuçlar bir arada değerlendirildiğinde, yüksek performanslı 2D termoelektriklerin tasarımı için açık tanımlayıcılar ve ayar düğmeleri—ξ, β, şapka yüksekliği ve gerinim—ortaya konmaktadır.