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The coexistence of superior intrinsic piezoelectricity and thermoelectricity in two-dimensional Janus α-TeSSe
Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 2.9 ) Pub Date : 2021-11-09 , DOI: 10.1039/d1cp04749c Shaobo Chen 1, 2 , Xiangrong Chen 1 , Zhaoyi Zeng 3 , Huayun Geng 4 , Huabing Yin 5
Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 2.9 ) Pub Date : 2021-11-09 , DOI: 10.1039/d1cp04749c Shaobo Chen 1, 2 , Xiangrong Chen 1 , Zhaoyi Zeng 3 , Huayun Geng 4 , Huabing Yin 5
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Piezoelectric and thermoelectric materials that can directly convert mechanical and thermal energies into electricity have attracted great interest because of their practical applications in overcoming the challenges of the energy crisis. In this research, a new family of two-dimensional (2D) group-VI Janus ternary compounds with α and γ phases are predicted. After the stability testing, only the α-TeSSe monolayer has dynamic and thermal stability. The band structure and the optic, piezoelectric, and thermoelectric performances of the Janus α-TeSSe monolayer are calculated via first-principles calculations. Janus α-TeSSe is a narrow indirect bandgap semiconductor with a value of 0.953 eV at the HSE06 functional considering the spin–orbit coupling (SOC), which is beneficial to its thermoelectric performance, and its excellent absorption coefficients indicate that it may be a promising optoelectronic material. The piezoelectric calculations show that Janus α-TeSSe exhibits not only appreciable in-plane piezoelectricity (d11 = 17.17 pm V−1) but also superior vertical piezoelectricity (d31 = 0.22 pm V−1). Furthermore, a new TransOpt code is used to calculate the electrical transport coefficients with a constant electron–phonon coupling approximation, which is more accurate than the constant relaxation time approximation. The origin of ultralow lattice thermal conductivity is also discussed in detail. Finally, ultrahigh ZT values of 0.77 and 1.95 occur in n-type and p-type doping at 600 K, respectively, indicating that it is a promising thermoelectric material. Our work demonstrates that Janus α-TeSSe monolayers have potential applications in optoelectronic, piezoelectric, and thermoelectric devices, which will greatly stimulate research-related experiments.
中文翻译：
二维 Janus α-TeSSe 中优越的本征压电性和热电性的共存
可以直接将机械能和热能转化为电能的压电和热电材料因其在克服能源危机挑战方面的实际应用而引起了人们的极大兴趣。在这项研究中，预测了具有 α 和 γ 相的二维 (2D) 族 VI Janus 三元化合物的新家族。经过稳定性测试，只有 α-TeSSe 单层具有动态和热稳定性。Janus α-TeSSe 单层的能带结构和光学、压电和热电性能通过以下公式计算第一性原理计算。Janus α-TeSSe 是一种狭窄的间接带隙半导体，考虑到自旋轨道耦合 (SOC)，HSE06 泛函值为 0.953 eV，有利于其热电性能，其优异的吸收系数表明它可能是一种很有前景的半导体。光电材料。压电计算表明，Janus α-TeSSe 不仅表现出明显的面内压电性 ( d 11 = 17.17 pm V -1 )，而且还表现出优异的垂直压电性 ( d 31 = 0.22 pm V -1）。此外，新的 TransOpt 代码用于计算具有恒定电子-声子耦合近似的电传输系数，这比恒定弛豫时间近似更准确。还详细讨论了超低晶格热导率的起源。最后，在 600 K 的 n 型和 p 型掺杂中分别出现 0.77 和 1.95 的超高ZT值，表明它是一种很有前途的热电材料。我们的工作表明 Janus α-TeSSe 单层在光电、压电和热电器件中具有潜在的应用，这将极大地刺激与研究相关的实验。
更新日期：2021-11-30
中文翻译：
二维 Janus α-TeSSe 中优越的本征压电性和热电性的共存
可以直接将机械能和热能转化为电能的压电和热电材料因其在克服能源危机挑战方面的实际应用而引起了人们的极大兴趣。在这项研究中，预测了具有 α 和 γ 相的二维 (2D) 族 VI Janus 三元化合物的新家族。经过稳定性测试，只有 α-TeSSe 单层具有动态和热稳定性。Janus α-TeSSe 单层的能带结构和光学、压电和热电性能通过以下公式计算第一性原理计算。Janus α-TeSSe 是一种狭窄的间接带隙半导体，考虑到自旋轨道耦合 (SOC)，HSE06 泛函值为 0.953 eV，有利于其热电性能，其优异的吸收系数表明它可能是一种很有前景的半导体。光电材料。压电计算表明，Janus α-TeSSe 不仅表现出明显的面内压电性 ( d 11 = 17.17 pm V -1 )，而且还表现出优异的垂直压电性 ( d 31 = 0.22 pm V -1）。此外，新的 TransOpt 代码用于计算具有恒定电子-声子耦合近似的电传输系数，这比恒定弛豫时间近似更准确。还详细讨论了超低晶格热导率的起源。最后，在 600 K 的 n 型和 p 型掺杂中分别出现 0.77 和 1.95 的超高ZT值，表明它是一种很有前途的热电材料。我们的工作表明 Janus α-TeSSe 单层在光电、压电和热电器件中具有潜在的应用，这将极大地刺激与研究相关的实验。
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