Significantly Enhanced Thermoelectric Performance of Van Der Waals Interface Coupling Molecular Junction with Nitrogen-Doped Graphene Nanoribbon Electrodes

材料科学 石墨烯 电极 范德瓦尔斯力 兴奋剂 联轴节(管道) 凝聚态物理 氮气 热电效应 化学物理 纳米技术 光电子学 分子 物理化学 化学 复合材料 物理 有机化学 热力学
作者
Bei Zhang
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:597: 153722-153722 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2022.153722
摘要

• Most phononic transmission has been suppressed owing to nonbonded interface nature. • Interfacial charge transfer plays a leading role for electron transport resonance shift. • Mass matching effect plays a dominate role for κ tol increase in doped AGNR_BIS_AGNR. • Malposed stacking structure can effectively weaken mass mismatching effect. • An excellent ZT (14.1) has been obtained near FL for N-doped ZGNR_BIS_ZGNR. Rational design of model structure and effective strategy to overcome inherent mismatch between molecular orbital energy and Fermi level (FL) of electrodes are the key prerequisites to fully rationalize and optimize thermoelectric properties for a single molecular junction. A bis-phenylethynyl-anthrancene (BIS-molecule) with conjugated structure is contacted with armchair/zigzag graphene nanoribbon (AGNR/ZGNR) electrodes by van der Waals (vdW) interface coupling. The optimized distance between molecular and two leads is associated with interface stacking mode. Weak-coupling structure greatly suppresses phonon transport behavior due to interface resistance. Thermal conductance ( κ tol ) has been greatly increased at FL with N-doping based on two different mechanisms. Mass matching effect plays a dominate role for κ tol increase in N-doped AGNR_BIS_AGNR, meanwhile sharp and degenerated DOS is main contribution to κ tol in N-doped ZGNR_BIS_ZGNR. Nitrogen-doping can adjust Fermi level of electrodes into molecular resonance region, resulting in the enhancement of electronic coupling between central molecular and leads, which is come from obvious charge transfer from graphene nanoribbon to BIS-molecule. Moreover, an excellent thermoelectric figure-of-merit ( ZT ) of 14.1/3.5 has been obtained near FL for nitrogen-doped molecular junction.

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