بررسی نظری خواص ترموالکتریکی نانو ورقه فسفرن متخلخل و مقایسه با فسفرن کامل در راستای دسته صندلی

بانوزاده, بیتا; پیله ور شهری, راحله; بنام, محمدرضا; باعدی, جواد; کافی, فریبا

doi:10.22055/jrmbs.2022.17624

بررسی نظری خواص ترموالکتریکی نانو ورقه فسفرن متخلخل و مقایسه با فسفرن کامل در راستای دسته صندلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

¹ دانشکده فیزیک، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران

² دانشکده فیزیک، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران

10.22055/jrmbs.2022.17624

چکیده

در این پژوهش با استفاده از نظریه‌ی تابعی چگالی و معادله بولتزمن، خواص ترموالکتریکی نانو ورقه فسفرن کامل و نانو ورقه فسفرن متخلخل در دماهای 100،200 و 300 درجه کلوین محاسبه و مقایسه شد. نتایج نشان می‌دهد بیشینه‌ی ضریب سیبک در دمای 300 درجه کلوین برای نانو ورقه متخلخل برای ناخالصی نوع n و p حدود دو برابر مقدار مشابه درنانو ورقه فسفرن کامل است. ماده‌ی ترموالکتریک خوب باید رسانندگی الکتریکی بالا و رسانندگی گرمایی پایینی داشته باشد. اگرچه هدایت الکتریکی نانو ورقه‌ی‌ کامل در همه‌ی دماهای مورد بررسی بیش ازنانوورقه متخلخل می‌باشد، اما سهم الکترونی هدایت حرارتی فسفرن متخلخل کمتر از فسفرن کامل است. بیشینه‌ی ضریب شایستگی که نشان دهنده‌ی شایستگی ماده‌ی ترموالکتریک است در همه‌ی دماهای مورد بررسی برای نانو ورقه فسفرن متخلخل بیشتر از فسفرن کامل می‌باشد. نتایج این پژوهش پتانسیل مواد دو بعدی متخلخل را جهت کاربردهای ترموالکتریک نشان می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

ماده چگال

عنوان مقاله [English]

Theoretical investigation and comparison of thermoelectric properties of porous and perfect phosphorene along armchair direction

نویسندگان [English]

Bita Banoozadeh ¹
Raheleh Pilevar Shahri ¹
MohammadReza Benam ¹
Javad Baedi ²
Fariba Kafi ¹

¹ physics dep. , Payame Noor University, Tehran, Iran

² Department of Physics, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran

چکیده [English]

In this study, using density functional theory and Boltzmann equation, the thermoelectric properties of perfect and porous phosphorene nanosheets are calculated and compared at different temperatures including 100, 200 and 300 K. The results show that the maximum seebeck coefficient at 300 ° K for porous nanosheet is about twice the corresponding amount of the perfect one. A good thermoelectric material should have a high electrical conductivity as well as a low thermal conductivity. Although the electrical conductivity of the perfect sample is higher than that of the porous one at all studied temperatures, the electronic contribution of the thermal conductivity related to porous phosphorene is less than the thermal conductivity of the perfect one. At all studied temperatures, the maximum figure of merit (ZT) in porous phoephorene, is higher than the ZT in the perfect nanosheet. The results of this study indicate that two-dimensional porous phosphorene is a promising material for thermoelectric applications and even demonstrates a better performance than the perfect 2D-phosphoren.

کلیدواژه‌ها [English]

porous phosphorene؛ phosphorene nanosheet؛ thermoelectric properties؛ seebeck coefficient
؛ thermal conductivity؛ power factor؛ figure of merit

مراجع

[1] V. Eswaraiah, Q. Zeng, Y.Long, Z. Liu, Black phosphorus nanosheets: synthesis, characterization and applications, Small 12 (2016) 3480-3502. https://doi.org/10.1002/smll.201600032.

[2] Li. Lika, G.J. Ye, V. Tran, R. Fei, G. Chen, H. Wang, J. Wang, et al., Quantum oscillations in a two-dimensional electron gas in black phosphorus thin films, Nature nanotechnology 10 (2015) 608-613. https://doi.org/10.1038/nnano.2015.91.

[3] A. Carvalho, M. Wang, X. Zhu, A.S. Rodin, H. Su, A.H.C. Neto, Phosphorene: from theory to applications, Nature Reviews Materials 1 (2016) 1-16. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.61.

[4] H.O. Churchill, P. Jarillo-Herrero, Phosphorus joins the family, Nature nanotechnology 9 (2014) 330-331. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.61

[5] H. Liu, A. T. Neal, Z. Zhu, Z. Luo, X. Xu, D. Tománek, P.D. Ye, Phosphorene: an unexplored 2D semiconductor with a high hole mobility, ACS nano 8 (2014) 4033-4041.https://doi.org/10.1021/nn501226z.

[6] S. Das, W. Zhang, M. Demarteau, A. Hoffmann, M. Dubey, A. Roelofs, Tunable transport gap in phosphorene, Nano letters 14 (2014) 5733-5739. https://doi.org/10.1021/nl5025535.

[7] R. Fei, L. Yang, Strain-engineering the anisotropic electrical conductance of few-layer black phosphorus, Nano letters 14 (2014) 2884-2889. https://doi.org/10.1021/nl500935z.

[8] O. Lehtinen, J. Kotakoski, A.V. Krasheninnikov, A. Tolvanen, K. Nordlund, J. Keinonen, Effects of ion bombardment on a two-dimensional target: Atomistic simulations of graphene irradiation, Physical review B 81 (2010) 153401. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.153401.

[9] Y. Zhang, F. Hao, H. Xiao, C. Liu, X. Shi, X. Chen, Hydrogen separation by porous phosphorene: A periodical DFT study, International Journal of Hydrogen Energy 41 (2016) 23067-23074. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.10.108.

[10] A. Hashmi, M.U. Farooq, J. Hong, Long-range magnetic ordering and switching of magnetic state by electric field in porous phosphorene, The Journal of Physical Chemistry Letters 7 (2016) 647-652. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5b02600.

[11] F.J. Disalvo, Thermoelectric cooling and power generation. Science 285 (1999) 703-706. http://doi.org/10.1126/science.285.5428.703.

[12] D.S. Markovic, D. Zivkovic, D. Cvetkovic, R. Popovic, Impact of nanotechnology advances in ICT on sustainability and energy efficiency, Renewable and Sustainable Energy Reviews 16 (2012) 2966-2972. https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.02.018.

[13] N. Salami, A. Shokri, Geometrical effects on the thermoelectric properties of single/bilayer graphene junctions, Journal of Research on Many-body Systems 10 (2021) 35-46. https://doi.org/10.22055/JRMBS.2020.16179.

[14] H. Khalatbari, Impact of increasing the number of molecules in thermopower properties of C20 molecule, Journal of Research on Many-body Systems 7 (2018) 97-103. http://doi.org/10.22055/JRMBS.2018.13938.

[15] M. Ilkhani, Half-metallic behavior, thermodynamic stability and thermoelectric performance of new CoXMnSi (X=Rh, Tc) quaternary Heuslers, Journal of Research on Many-body Systems 11 (2021) 13-27. http://doi.org/ 10.22055/JRMBS.2021.17055.

[16] R. Panahinia, S. Behnia, The study of thermoelectric effect on the nonlinear response regime: the appearance of negative differential thermoelectric resistance and thermoelectric rectifier in DNA, Journal of Research on Many-body Systems 9 (2020), 13-24. https://doi.org/10.22055/JRMBS.2019.14915.

[17] R. Santos, S.A. Yamini, S.X. Dou, Recent progress in magnesium-based thermoelectric materials. Journal of Materials Chemistry A 6 (2018) 3328-3341. https://doi.org/10.1039/C7TA10415D.

[18] S. Leblanc, Thermoelectric generators: Linking material properties and systems engineering for waste heat recovery applications, Sustainable Materials and Technologies 1 (2014) 26-35. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2014.11.002.

[19] H.Y. Lv, W.J. Lu, D.F. Shao, Y.P. Sun, Large thermoelectric power factors in black phosphorus and phosphorene. arXiv preprint arXiv:1404.5171(2014).

[20] R. Fei, A. Faghaninia, R. Soklaski, J.A. Yan, C. Lo, L. Yang, Enhanced thermoelectric efficiency via orthogonal electrical and thermal conductance in phosphorene, Nano letters 14 (2014) 6393-6399. https://doi.org/10.1021/nl502865s.

[21] J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Generalized Gradient Approximation Made Simple, Physical review letters 77 (1996) 3865. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77. 3865.