اثرات هندسی بر روی خواص ترموالکتریکی در اتصالات گرافینی تک لایه ای/دو لایه ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

1 گروه فیزیک، واحد یاسوج، دانشگاه آزاد اسلامی، یاسوج، ایران

2 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه پیام نور، ص. پ. 3697-19395، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله با استفاه از تقریب بستگی قوی و ماتریس ضرایب جنبشی، خواص الکتریکی و ترموالکتریکی چهار پیکربندی مختلف از نانونوار گرافینی اتصالات تک لایه ای/دولایه ای با لبه های آرمچیری و زیگزاگی مطالعه می شود. این خواص ترابرد الکتریکی شامل ضرایب رسانش الکتریکی (G)، رسانندگی گرمایی (κ_e)، توان ترموالکتریکی (S) و شاخص شایستگی (ZTe) می باشند که برای طراحی ادوات ترموالکترونیکی مناسب هستند. نتایج محاسبات عددی نشان می دهد که تحت شرایط هندسی مختلف سیستم می تواند رفتار فلزی و نیم-رسانایی با گاف قابل تنظیم از خود نشان دهد. این باعث می شود که توان ترموالکتریکی و کارایی ترموالکتریکی مختلف و نسبتاً بزرگی تحت شرایط خاص اتصالات از خود نشان دهند. همچنین نقش نوع حامل ها (الکترون یا حفره) نیز در ایجاد خصوصیات الکتریکی و ترموالکتریکی به وضوح نشان داده می شود. نتایج این مقاله ممکن است در طراحی ادوات نانوالکترونیکی مبتنی بر لایه های دو بعدی مفید باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Geometrical effects on the thermoelectric properties of single/bilayer graphene junctions

نویسندگان [English]

  • Nadia Salami 1
  • Ali Asghar Shokri 2
1 Department of Physics, Yasooj Branch, Islamic Azad University, Yasooj, Iran
2 Department of Physics, Payame Noor University (PNU), P.O.Box 19395-3697, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this work, using the tight-binding approximation and kinetic coefficient matrix, the electrical and thermoelectric properties of four different configurations of single/bilayer graphene junctions with armchair and zigzag edges are studied. These electrical transport properties include the electrical conductivity coefficients (G), thermal conductivity (κ_e), thermoelectric power (S) and figure of merit (ZTe), which are suitable for designing thermoelectronic devices. The numerical results show that the system can exhibit a metallic or semiconductive behavior with a special edge under different geometric conditions. This makes it possible to exhibit that the thermoelectric power and thermoelectric performance of a relatively large size under particular conditions. Also, the role of carriers (electron or hole) is clearly demonstrated in terms of electrical and thermoelectric properties. The results may be useful in designing nanoelectronic devices based on two-dimensional layers.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Thermoelectric Properties
  • Seebeck coefficient
  • Bilayer graphene junctions
  • Tight-binding approximation
[1] H. Nejo, Nanostructure-Fabrication and Analysis, Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2007).
https://www.springer.com/gp/book/9783540375777
[2] A.K. Geim and K.S. Novoselov, The rise of graphene, Nature Materials, 6 (2007) 183-191.
[3] R.R. Nair, P. Blake, A.N. Grigorenko, K.S. Novoselov, T.J. Booth, T. Stauber, N.M.R. Peres, A.K. Geim, Fine structure constant defines visual transparency of grapheme. Science 320 (2008) 1308. 10.1126/science.1156965
[4] A.K. Geim, and P. Kim. Carbon wonderland. Scientific American 298 (2008) 90-97.
https://www.jstor.org/stable/26000566
[5] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, M.I. Katsnelson, I.V., Grigorieva, S.V. Dubonos, A.A. Firsov, Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene, Nature 438 (2005) 197-200. https://doi.org/10.1038/nature04233
[6] K.S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T.J. Booth, V.V. Khotkevich, S.V. Morozov, A.K. Geim, Two-dimensional atomic crystals, Proceedings of the National Academy of Sciences of USA 102 (2005) 10451-10453. https://doi.org/10.1073/pnas.0502848102

[7] K. Nakada, M. Fujita, G. Dresselhaus, M.S. Dresselhaus, Edge state in graphene ribbons: Nanometer size effect and edge shape dependence, Physical Review B 54 (1996) 17954. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.17954

[8] X. Jia, M. Hofmann, V. Meunier, B.G. Sumpter, J. Campos-Delgado, J.M. Romo-Herrera, H. Son, Y. Hsieh, A. Reina, J. Kong, M. Terrones, M.S. Dresselhaus, Controlled formation of sharp zigzag and armchair edges in graphitic nanoribbons, Science 323 (2009) 1701. https://doi.org/10.1126/science.116686

[9] A.H. Castro Neto, F. Guinea, N.M. R. Peres, K.S. Novoselov, A.K. Geim, The electronic properties of graphene, Reviews of Modern Physics 81 (2009) 109. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.109

[10] B. Sahu, H. Min, A.H. MacDonald, S.K. Banerjee, Energy gaps, magnetism, and electric-field effects in bilayer graphene nanoribbons, Physical Review B 78 (2008) 045404. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.045404

[11] B. Sahu, H. Min, S.K. Banerjee, Effects of edge magnetism and external electric field on energy gapsin multilayer graphene nanoribbons, Physical Review B 82 (2010) 115426. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.115426
[12] N.W. Ashcroft, N. David. Mermin, Solid-state physics, New York, Holt, Rinehart and Winston (1976).
[13] G.D. Mahan, Figure of merit for thermoelectrics, Journal of Applied Physics 65 (1989) 1578. https://doi.org/10.1063/1.342976
[14] T.C. Li, S.-P. Lu, Quantum conductance of graphene nanoribbons with edge defects, Physical Review B 77 (2008) 085408. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.085408
[15] A. Shokri, M. Esrafilian, N. Salami, Quantum transport of tunnel field effect transistors based on bilayer-graphene nanoribbon heterostructures, Physica E 119 (2020) 113908. https://doi.org/10.1016/j.physe.2019.113908
[16] A.V. Rozhkova, A.O. Sboychakova, A.L. Rakhmanova, F. Noria, Electronic properties of graphene-based bilayer systems, Physics Reports 648(2016) 1-104. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.07.003
[17] M. Buscema, M. Barkelid, V. Zwiller, H.S.J. van der Zant, G.A. Steele, A. Castellanos-Gomez, Large and tunable photothermoelectric effect in single-layer MoS2, Nano Letters 13 (2013) 358-363. https://doi.org/10.1021/nl303321g
[18] Gh. Adessi, S. Thebaud, R. Bouzerar, G. Bouzerar, First principle investigation on thermoelectric properties of transition metal dichalcogenides: beyond the rigid band model, Journal of Physical Chemistry C 121 (2017) 12577–12584. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b02570
[19] G. Huai-Hong, T. Yang, P. Tao, Z.-D. Zhang, Theoretical study of thermoelectric properties of MoS2, Chinese Physics B 23 (2014) 017201. https://doi.org/10.1088/1674-1056/23/1/017201
[20] A. Shokri, N. Salami, Thermoelectric properties in monolayer MoS2 nanoribbons with Rashba spin–orbit interaction, Journal of Materials Sciences 54 (2019) 467-482. https://doi.org/10.1007/s10853-018-2837-8