新型二維SiSe的能帶結(jié)構(gòu)與塞貝克系數(shù)的第一性原理計(jì)算

西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 楊蕭玥

能夠把熱能直接轉(zhuǎn)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(jì)算和玻耳茲曼輸運(yùn)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(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)載流子濃度約為106cm-2時(shí)，n型SiSe單層的塞貝克系數(shù)在500 K下可達(dá)1490 μV K-1，p型SiSe單層的塞貝克系數(shù)可達(dá)1576 μV K-1，這說(shuō)明SiSe可能是一種有潛力的熱電材料。

近年來(lái)，由于能源的短缺及環(huán)境問(wèn)題的加重，人們需要尋找新的環(huán)境友好的能源。一種可以把熱能轉(zhuǎn)換成電能的功能材料——熱電材料，引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。熱能轉(zhuǎn)換成電能主要依靠塞貝克效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩種不同的金屬構(gòu)成一個(gè)完整的閉合回路時(shí)，如果相接觸的地方有溫度差，那么電路中會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)從而使電路中存在電流，這就是塞貝克效應(yīng)。

塞貝克系數(shù)可以表示為：

其中，V是溫差電動(dòng)勢(shì)，T是絕對(duì)溫度，溫度差和塞貝克系數(shù)越大產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)越大。因此，我們可以探究材料是否具有較高的塞貝克系數(shù)，其可能是有潛力的熱電材料。

隨著技術(shù)的發(fā)展，許多二維范德華材料比如石墨烯、磷烯和過(guò)渡金屬二鹵化物等已經(jīng)成功合成。已經(jīng)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(shù)。因此，二維鉛硫?qū)倩衔锟赡芫哂休^高的塞貝克系數(shù)。到目前為止，對(duì)一些已成功合成或預(yù)測(cè)的二維材料，有關(guān)塞貝克系數(shù)的理論計(jì)算都是有限的，二維材料可能具有許多不同的結(jié)構(gòu)。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(shù)，可以為實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究奠定基礎(chǔ)。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(jié)構(gòu)，計(jì)算了這些材料的能帶結(jié)構(gòu)并證明了其穩(wěn)定性，我們選擇二維SiSe，采用第一性原理計(jì)算和玻耳茲曼輸運(yùn)理論研究了其能帶結(jié)構(gòu)和塞貝克系數(shù)。

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(lái)優(yōu)化SiSe的幾何結(jié)構(gòu)，其中，平面波截?cái)嗄茉O(shè)置為400 eV。我們使用45×45×1的k點(diǎn)網(wǎng)格，能量和每個(gè)原子力的收斂標(biāo)準(zhǔn)分別為10-7eV和0.01 eV /?，應(yīng)用了15 ?的真空區(qū)域來(lái)消除相鄰SiSe單層之間的相互作用。使用精確的電子結(jié)構(gòu)作為輸入文件，我們使用基于半經(jīng)典玻爾茲曼輸運(yùn)理論制作的BoltzTrap程序計(jì)算了SiSe單層的塞貝克系數(shù)S。

圖1 SiSe單層晶體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 n型（a）和p型（b）SiSe單層的塞貝克系數(shù)與載流子濃度的關(guān)系

優(yōu)化后的二維SiSe結(jié)構(gòu)的俯視圖和側(cè)視圖如圖1所示，該結(jié)構(gòu)和藍(lán)磷的結(jié)構(gòu)類似。SiSe在平面上是各向同性的，屬于P3m的空間群，每個(gè)原胞中有兩個(gè)原子，優(yōu)化后SiSe單層的晶格常數(shù)為3.52 ?。這與別人的計(jì)算結(jié)果基本一致，表明我們?cè)O(shè)置的參數(shù)是合理的，得到的結(jié)果比較可靠，可以進(jìn)行下一步的計(jì)算。

圖2 SiSe單層的能帶結(jié)構(gòu)

SiSe單層的能帶結(jié)構(gòu)如圖2所示，可以看出，這是一個(gè)帶隙為2.12 eV的間接帶隙半導(dǎo)體，價(jià)帶的最大值在Γ-K方向的某一點(diǎn)處，而導(dǎo)帶的最小值在M-Γ方向的某一點(diǎn)處。價(jià)帶頂?shù)哪軒н吘壉容^平坦，這種能帶結(jié)構(gòu)一般對(duì)應(yīng)著較高的塞貝克系數(shù)。

接著，我們計(jì)算了n型和p型SiSe的塞貝克系數(shù)，其與載流子濃度的關(guān)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(shù)的絕對(duì)值在溫度低時(shí)比較小，當(dāng)載流子濃度升高時(shí)，塞貝克系數(shù)的絕對(duì)值減小，但是在恒定載流子濃度下，塞貝克系數(shù)的絕對(duì)值隨著溫度的升高而增加。n型SiSe單層的塞貝克系數(shù)的絕對(duì)值略小于p型，當(dāng)載流子濃度約為106 cm-2時(shí)，在300 K到500 K的溫度范圍內(nèi)，n型SiSe塞貝克系數(shù)的絕對(duì)值為1470 μV K-1到1490 μV K-1，p型SiSe塞貝克系數(shù)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(shù)，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(jì)算和半經(jīng)典玻爾茲曼輸運(yùn)理論研究了二維SiSe單層的能帶結(jié)構(gòu)和塞貝克系數(shù)。首先，我們通過(guò)二維SiSe的幾何優(yōu)化確定了最穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，其晶格常數(shù)為3.52 ?。通過(guò)求解玻爾茲曼輸運(yùn)理論，我們得到了300K、400K、500K三種溫度下的塞貝克系數(shù)，當(dāng)溫度范圍在300 K到500 K之間，載流子濃度約為106 cm-2時(shí)，n型SiSe塞貝克系數(shù)的絕對(duì)值為1470 μV K-1到1490 μV K-1，p型SiSe塞貝克系數(shù)的值為1551 μV K-1到1576 μV K-1，這是一個(gè)較高的值，表明著二維SiSe單層可能是有潛力的熱電材料。