Highly In-Plane Anisotropic 2D-ZrGeTe4: A Promising Thermoelectric Material with a High Power Factor and Figure of Merit

功勋 各向异性 材料科学 功率因数 热电材料 热电效应 塞贝克系数 工程物理 功率(物理) 凝聚态物理 物理 光电子学 光学 复合材料 热导率 热力学
作者
Nisar Muhammad,Wenlong Mu,Nguyen Tuan Hung,Teng Yang,Zejun Ding
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:8 (9): 5721-5728 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsaem.5c00023
摘要

Two-dimensional (2D) ternary transition metal chalcogenides (TMCs) are promising for thermoelectric (TE) applications because of their low structural symmetry, high in-plane anisotropy, and adjustable band gap. A high-performance TE material requires high electrical conductivity, a large power factor PF, and a sizable dimensionless figure of merit ZT. This study focuses on the TE properties, including electrical and phonon transport properties, of highly in-plane anisotropic 2D-ZrGeTe4 based on combined first-principles and semiclassical Boltzmann theory. First, our results prove that 2D-ZrGeTe4 is mechanically, dynamically, and thermodynamically stable as a free-standing monolayer, which can be attributed to the van der Waals nature of ZrGeTe4. Next, we show that ZrGeTe4 exhibits a tunable band gap, exhibiting an indirect-to-direct band gap transition from the 3D bulk to the 2D monolayer. The electron and hole mobilities are highly anisotropic and dominate in the x-direction. Furthermore, 2D-ZrGeTe4 exhibits a large PF and low lattice thermal conductivity, yielding a high theoretical ZT of 6 and 3 for n-type and p-type at 900 K, respectively. Owing to its rich anisotropy, band degeneracy capabilities, and extreme phonon anharmonicity, 2D-ZrGeTe4 could emerge as a promising candidate for advanced TE applications at high-temperature ranges.
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