بررسی خواص الکترونی و ترموالکتریکی نانوساختارهای پنج ضلعی تک لایه C2B4 و C4B2 با استفاده از اصول اولیه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

1 گروه فیزیک، دانشکده علوم، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

2 گروه فیزیک، دانشکده علوم، دانشگاه نیشابور، نیشابور، ایران

چکیده

در این مطالعه، خواص الکترونی و ترموالکتریکی نانوساختارهای تک لایه C2B4 و C4B2 با استفاده از محاسبات اصول اولیه، مورد مطالعه قرار گرفته است. ابتدا، به محاسبه ساختار نواری و چگالی حالت‌های الکترونی بر پایه نظریه تابعی چگالی (DFT) و استفاده از بسته محاسباتی کوانتوم- اسپرسو (QE)، خواهیم پرداخت. مقدار گاف نواری برای C2B4 و C4B2 به-ترتیب 0/43 (گاف مستقیم) و 1/45 (گاف غیر مستقیم) الکترون ولت به‌دست آمدند. سپس، با استفاده از انرژی الکترونی محاسبه شده، ضرایب ترابردی ترموالکتریکی از جمله ضریب سیبک، رسانندگی الکتریکی، رسانندگی گرمایی الکترونی، ضریب عامل توان و کمیت بدون بعد ضریب ارزشی ZT را با استفاده از معادله ترابردی نیمه کلاسیکی بولتزمن در تقریب زمان واهلش و در بسته محاسباتی BoltzTraP به‌دست می‌آوریم. نتایج محاسبه شده خواص ترابردی تقریباً همسانگرد برای هر دو نانوساختار را نشان می‌دهند. به‌ویژه، نانو ساختار C2B4 در مقایسه با C4B2، عملکرد نسبی برجسته‌ی‌ ترموالکتریکی را نمایش می‌دهد. همچنین، ضریب سیبک و ضریب ارزشی برای C2B4 در غلظت حامل‌ها و ناحیه دمایی مورد مطالعه از C4B2، بزرگ-تر است، به‌طوری‌که مقدار ضریب سیبک و ضریب ارزشی برای نوع p حامل‌ها و در دمای اتاق به‌ترتیب برای C2B4،1765 V/Kµ و1/02 و برای C4B2، 216 V/Kµ و 0/81 به‌دست آمدند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

First-principles investigation of electronic and thermoelectric properties of monolayer pentagonal nanostructures of C2B4 and C4B2

نویسندگان [English]

  • mojtaba ashhadi 1
  • Davoud Vahedi Fakhrabad 2
1 Department of Physics, University of Sistan and Baluchestan, Zahedan, Iran
2 Department of Physics, Faculty of Science, University of Neyshabur, Neyshabur, Iran
چکیده [English]

In this study, we investigate the electronic and thermoelectric properties of monolayer nanostructures of C2B4 and C4B2 by first principles calculations. At the first, we calculated the electronic band structure and density of states based on density functional theory (DFT) and using the QUANTUM ESPRESSO computational package. The band gap values were obtained as 0.43 eV (direct band) and 1.45 eV (indirect band) for C4B2 and C2B4, respectively. Then, based on the calculated electronic energy, we obtain the thermoelectric transport coefficients such as the Seebeck coefficient, electrical conductivity, electrical thermal conductivity, and dimensionless figure of merit by solving the semiclassical Boltzmann transport equation in relaxation time approximation and within Boltztrap computational package. The calculated results show almost isotropic transport properties for both nanostructures. In particular, the C2B4 nanostructure exhibit comparative thermoelectric performance compared to C4B2. Also, the Seebeck coefficient and figure of merit of C2B4 is even larger than that of C4B2 under the studied carrier concentration and temperature region, so that, the Seebeck coefficient and figure of merit for p-type doping at room temperature were obtained as 1765 µV/K and 1.02 for C2B4, and 216 µV/K and 0.81 for C4B2, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Density functional theory
  • Boltzmann transport equation
  • Monolayer pentagonal nanostructures
  • seebeck coefficient
  • figure of merit

مراجع

[1] S. Zhang, J. Zhou, Q. Wang, X. Chen, Y. Kawazoe, P. Jena, Penta-graphene: A new carbon allotrope, Proceedings of the National Academy of Sciences 112 8 (2015) 2372-2377. https://doi.org/10.1073/pnas.1416591112
[2] M. Yagmurcukardes, H. Sahin, J. Kang, E. Torun, F. M. Peeters, and R. T. Senger, Pentagonal monolayer crystals of carbon, boron nitride, and silver azide, Journal of Applied Physics 118 10 (2015) 104303(6). https://doi.org/10.1063/1.4930086
[3] W. Xu, G. Zhang, B. Li, Thermal conductivity of penta-graphene from molecular dynamics study, Journal of Chemical Physics 143 15 (2015) 154703(6). http://dx.doi.org/10.1063/1.4933311
[4] B. Rajbanshi, S. Sarkar, B. Mandal, P. Sarkar, Energetic and electronic structure of penta-graphene nanoribbons, Carbon 100 (2016)118-125. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.01.014
[5] D. Qin, P. Yan, G. Ding, X. Ge, H. Song and G. Gao, Monolayer PdSe2: A promising two-dimensional thermoelectric material, Scientific Reports 8 (2018) 2764(8).

https://doi.org/10.1038/s41598-018-20918-9

[6] C. Wang, W. Cui, J. Shao, X. Zhu, X. Lu, Exploration on stability, aromaticity, and potential energy surface of planar BnC2(n= 3–8), Computational and Theoretical Chemistry 1006 (2013)1 9-30. http://dx.doi.org/10.1016/j.comptc.2012.12.001

[7] S. Kazemi, R. Moradian, Investigation of the electronic, magnetic and optical properties of newest carbon allotrope, Physica C: Superconductivity and its Applications 548 (2018) 126-128. https://doi.org/10.1016/j.physc.2018.02.021

[8] B.G. Levi, Simple compound manifests record-high thermoelectric performance, Physics Today, 67 (2014) 14–16. https://doi.org/10.1063/PT.3.2404
[9] J. He, M. G. Kanatzidis, V.P. Dravid, High performance bulk thermoelectrics via a panoscopic approach, Materials Today 16 (2013)166–176. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2013.05.004
[10] P. Giannozzi, et al., A modular and open-source software project for quantum simulations of materials, Journal of Physics: Condensed Matter 21 (2009) 395502-395521. https://doi.org/doi:10.1088/0953-8984/21/39/395502
[11] J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Generalized Gradient Approximation Made Simple, Physical Review Letters 77(18) (1996) 3865-3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
[12] G.K.H. Madsen, D.J. Singh, BoltzTraP. A code for calculating band-structure dependent quantities, Computer Physics Communications 175 (2006) 67–71. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2006.03.007
[13] G. Ding, G.Y. Gao, K.L. Yao, Thermoelectric performance of half-Heusler compounds MYSb (M = Ni, Pd, Pt), Journal of Physics D: Applied Physics 47 (2014) 385305(5). https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/38/385305
[14] Y. Saeed, N. Singh, U. Schwingenschlogl, Superior thermoelectric response in the 3R phases of hydrated NaxRhO2, Scientific Reports 4 (2014) 4390(5). https://doi.org/10.1038/srep04390
[15] N.F. Hinsche, et al., Thermoelectric transport in Bi2Te3/Sb2Te3 superlattices, Physical Review B 86 (2012) 085323(13). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.085323
[16] G. Shi, E. Kioupakis, Quasiparticle band structures and thermoelectric transport properties of p-type SnSe, Journal of Applied Physics 117 (2015) 065103(10). https://doi.org/10.1063/1.4907805

[17] S. Kazemi, R. Moradian, New monolayer penta-nanostructures: First-principles calculations, Journal of Research on Many body Systems 9 (2019)169-178. http://dx.doi.org/10.22055/jrmbs.2019.14598

[18] J.J. Gong, A.J. Hong, J. Shuai, L. Li, Z.B. Yan, Z.F. Ren, J.-M. Liu, Investigation of the bipolar effect in the thermoelectric material CaMg2Bi2 using a first-principles study, Physical Chemistry Chemical Physics 18 (2016) 16566-16574. https://doi.org/10.1039/C6CP02057G
[19] S. Lin, W. Li, Z. Chen, J. Shen, B. Ge, Y. Pei, Tellurium as a high-performance elemental thermoelectric, Nature Communications 7 (2016) 10287(6). https://doi.org/10.1038/ncomms10287
[20] G. Ding, G. Gao, K. Yao, High-efficient thermoelectric materials: The case of orthorhombic IV-VI compounds, Scientific Reports 5 (2015) 9567(7). https://doi.org/10.1038/srep09567
پژوهش سیستم های بس ذره ای
دوره 11، شماره 2 - شماره پیاپی 29
تابستان1400
شهریور 1400
صفحه 147-157

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 05 فروردین 1399
  • تاریخ بازنگری: 05 تیر 1400
  • تاریخ پذیرش: 13 مرداد 1400

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار