First-principles investigation of the significant anisotropy and ultrahigh thermoelectric efficiency of a novel two-dimensional Ga2I2S2 at room temperature

凝聚态物理 各向异性 塞贝克系数 热电效应 声子 兴奋剂 材料科学 功勋 热导率 热电材料 电子迁移率 三元运算 物理 光电子学 热力学 光学 计算机科学 程序设计语言 复合材料
作者
Zheng Chang,Ke Liu,Zhehao Sun,Kunpeng Yuan,Shuwen Cheng,Yufei Gao,Xiaoliang Zhang,Chen Shen,Hongbin Zhang,Ning Wang,Dawei Tang
出处
期刊:International journal of extreme manufacturing [IOP Publishing]
卷期号:4 (2): 025001-025001 被引量:26
标识
DOI:10.1088/2631-7990/ac5f0f
摘要

Abstract Two-dimensional (2D) thermoelectric (TE) materials have been widely developed; however, some 2D materials exhibit isotropic phonon, electron transport properties, and poor TE performance, which limit their application scope. Thus, exploring excellent anisotropic and ultrahigh-performance TE materials are very warranted. Herein, we first investigate the phonon thermal and TE properties of a novel 2D-connectivity ternary compound named Ga 2 I 2 S 2 . This paper comprehensively studies the phonon dispersion, phonon anharmonicity, lattice thermal conductivity, electronic structure, carrier mobility, Seebeck coefficient, electrical conductivity, and the dimensionless figure of merit ( ZT ) versus carrier concentration for 2D Ga 2 I 2 S 2 . We conclude that the in-plane lattice thermal conductivities of Ga 2 I 2 S 2 at room temperature (300 K) are found to be 1.55 W mK −1 in the X -axis direction ( xx -direction) and 3.82 W mK −1 in the Y -axis direction ( yy -direction), which means its anisotropy ratio reaches 1.46. Simultaneously, the TE performance of p-type and n-type doping 2D Ga 2 I 2 S 2 also shows significant anisotropy, giving rise to the ZT peak values of p-type doping in xx - and yy -directions being 0.81 and 1.99, respectively, and those of n-type doping reach ultrahigh values of 7.12 and 2.89 at 300 K, which are obviously higher than the reported values for p-type and n-type doping ternary compound Sn 2 BiX ( ZT ∼ 1.70 and ∼2.45 at 300 K) (2020 Nano Energy 67 104283). This work demonstrates that 2D Ga 2 I 2 S 2 has high anisotropic TE conversion efficiency and can also be used as a new potential room-temperature TE material.
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