新型二維SiSe的能帶結構與塞貝克系數的第一性原理計算

西南大學物理科學與技術學院 楊蕭玥

能夠把熱能直接轉化成電能的熱電材料近幾年被廣泛研究，我們采用第一性原理計算和玻耳茲曼輸運理論研究了一種新型二維SiSe單層在300 K、400 K、500 K三種溫度下的塞貝克系數。計算結果表明，當載流子濃度約為106cm-2時，n型SiSe單層的塞貝克系數在500 K下可達1490 μV K-1，p型SiSe單層的塞貝克系數可達1576 μV K-1，這說明SiSe可能是一種有潛力的熱電材料。

近年來，由于能源的短缺及環境問題的加重，人們需要尋找新的環境友好的能源。一種可以把熱能轉換成電能的功能材料——熱電材料，引起了科學家們的廣泛關注。熱能轉換成電能主要依靠塞貝克效應來實現。兩種不同的金屬構成一個完整的閉合回路時，如果相接觸的地方有溫度差，那么電路中會產生溫差電動勢從而使電路中存在電流，這就是塞貝克效應。

塞貝克系數可以表示為：

其中，V是溫差電動勢，T是絕對溫度，溫度差和塞貝克系數越大產生的電動勢越大。因此，我們可以探究材料是否具有較高的塞貝克系數，其可能是有潛力的熱電材料。

隨著技術的發展，許多二維范德華材料比如石墨烯、磷烯和過渡金屬二鹵化物等已經成功合成。已經有很多研究在理論上探索了具有良好熱電性能的IV–VI族化合物，例如二維SnSe和GeSe，這些材料都有較高的塞貝克系數。因此，二維鉛硫屬化合物可能具有較高的塞貝克系數。到目前為止，對一些已成功合成或預測的二維材料，有關塞貝克系數的理論計算都是有限的，二維材料可能具有許多不同的結構。因此，理論上可以研究所有可能存在的化合物形式并研究其塞貝克系數，可以為實驗相關研究奠定基礎。C. Kamal等人提出了二維IV-VI族（XY）材料（X=C，Si，Ge，Sn和Y=O，S，Se，Te）的可能結構，計算了這些材料的能帶結構并證明了其穩定性，我們選擇二維SiSe，采用第一性原理計算和玻耳茲曼輸運理論研究了其能帶結構和塞貝克系數。

本文基于密度泛函理論（DFT），使用投影綴加平面波方法（PAW）與VASP軟件包來優化SiSe的幾何結構，其中，平面波截斷能設置為400 eV。我們使用45×45×1的k點網格，能量和每個原子力的收斂標準分別為10-7eV和0.01 eV /?，應用了15 ?的真空區域來消除相鄰SiSe單層之間的相互作用。使用精確的電子結構作為輸入文件，我們使用基于半經典玻爾茲曼輸運理論制作的BoltzTrap程序計算了SiSe單層的塞貝克系數S。

圖1 SiSe單層晶體結構示意圖

圖3 n型（a）和p型（b）SiSe單層的塞貝克系數與載流子濃度的關系

優化后的二維SiSe結構的俯視圖和側視圖如圖1所示，該結構和藍磷的結構類似。SiSe在平面上是各向同性的，屬于P3m的空間群，每個原胞中有兩個原子，優化后SiSe單層的晶格常數為3.52 ?。這與別人的計算結果基本一致，表明我們設置的參數是合理的，得到的結果比較可靠，可以進行下一步的計算。

圖2 SiSe單層的能帶結構

SiSe單層的能帶結構如圖2所示，可以看出，這是一個帶隙為2.12 eV的間接帶隙半導體，價帶的最大值在Γ-K方向的某一點處，而導帶的最小值在M-Γ方向的某一點處。價帶頂的能帶邊緣比較平坦，這種能帶結構一般對應著較高的塞貝克系數。

接著，我們計算了n型和p型SiSe的塞貝克系數，其與載流子濃度的關系如圖3所示。從圖中可以看出，n型和p型SiSe的塞貝克系數的絕對值在溫度低時比較小，當載流子濃度升高時，塞貝克系數的絕對值減小，但是在恒定載流子濃度下，塞貝克系數的絕對值隨著溫度的升高而增加。n型SiSe單層的塞貝克系數的絕對值略小于p型，當載流子濃度約為106 cm-2時，在300 K到500 K的溫度范圍內，n型SiSe塞貝克系數的絕對值為1470 μV K-1到1490 μV K-1，p型SiSe塞貝克系數的值為1551 μV K-1到1576 μV K-1，大于一些熱電性能良好的二維材料的塞貝克系數，這表明SiSe單層可能具有良好的熱電性能。

綜上所述，我們利用第一性原理計算和半經典玻爾茲曼輸運理論研究了二維SiSe單層的能帶結構和塞貝克系數。首先，我們通過二維SiSe的幾何優化確定了最穩定的晶體結構，其晶格常數為3.52 ?。通過求解玻爾茲曼輸運理論，我們得到了300K、400K、500K三種溫度下的塞貝克系數，當溫度范圍在300 K到500 K之間，載流子濃度約為106 cm-2時，n型SiSe塞貝克系數的絕對值為1470 μV K-1到1490 μV K-1，p型SiSe塞貝克系數的值為1551 μV K-1到1576 μV K-1，這是一個較高的值，表明著二維SiSe單層可能是有潛力的熱電材料。