Strong Electron–Phonon and Phonon–Phonon Interactions Lead to High Thermoelectric Performances in Lead Phosphorene via Symmetry Breaking

凝聚态物理 声子 磷烯 热电效应 声子散射 硅烯 材料科学 散射 单层 热电材料 石墨烯 物理 带隙 纳米技术 光学 量子力学
作者
Ao Wu,Yujie Xia,Yiming Zhang,Lei Peng,Hezhu Shao,Yan Cen,Heyuan Zhu,Hao Zhang
出处
期刊:Advanced theory and simulations [Wiley]
卷期号:6 (12)
标识
DOI:10.1002/adts.202300226
摘要

Abstract Understanding the full electron–phonon and phonon–phonon interaction effects in semiconductors is crucial for tuning electronic and phonon transport properties with the purpose to the enhancement of thermoelectric performances. In this work, based on the detailed investigations on 2D lead phosphorene (PbP) by using the first‐principle calculations, it is demonstrated that, in , , and PbP, the electron–phonon interactions are significantly stronger than conventional group‐IV monolayers such as silicene by five orders in magnitude, and intravalley scatterings dominate over the intervalley scattering due to less degenerate band extrema near Fermi level. Based on the selection‐rule analysis, it is found that the symmetry breaking in the janus γ phase compared to the higher‐symmetry α phase allows fewer symmetry operations, leading to more allowed scattering channels for electrons and phonons, subsequently suppressing the electron and phonon transport in PbP. Due to the low Debye temperatures, and strong four‐phonon interactions, the lattice thermal conductivities at room temperature in these monolayers are sharply decreased. Finally, it is found that the maximum thermoelectric figure of merits for these three monolayers reach 0.90/0.24/1.25 at room temperature, respectively. This work not only paves the way for the promising applications of PbP monolayers in thermoelectric devices, but also suggests that symmetry breaking and strong high‐order phonon–phonon interactions are crucial to identifying excellent thermoelectric materials.
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