Tração Biaxial Melhora Desempenho Termoelétrico de Monocamada de InSe

Resumo

Engenharia de tensão oferece rota prática para adaptar propriedades físicas de materiais bidimensionais (2D) devido à sua flexibilidade excepcional. Neste estudo, investigamos sistematicamente como tensão de tração biaxial influencia propriedades eletrônicas, fônicas e termoelétricas de monocamada de InSe usando cálculos de primeiros princípios. Encontramos que aplicação de até 6% de tensão reduz condutividade térmica de rede de 25,9 para 13,1 W m⁻¹ K⁻¹ amplificando espalhamento fônico anarmônico, diminuindo velocidades de grupo de fônons e reduzindo capacidade calorífica. Consequentemente, figura de mérito termoelétrica ZT é significativamente aumentada, demonstrando que tensão de tração é estratégia eficaz para melhorar desempenho termoelétrico do InSe.

Introdução

Desde descoberta do grafeno, semicondutores bidimensionais atraíram intenso interesse de pesquisa por suas notáveis propriedades eletrônicas, ópticas e mecânicas. Monocamadas de metal-calcogeneto, em particular, emergiram como candidatos promissores para nanoeletrônica e nanofotônica [1–4]. Seleneto de índio (InSe) é composto III-VI em camadas que recentemente atraiu atenção por sua alta mobilidade de portadores, robusta flexibilidade mecânica e potencial em dispositivos optoeletrônicos. Esforços experimentais fabricaram com sucesso monocamada e poucas camadas de InSe via rotas físicas (exfoliação mecânica, epitaxia por feixe molecular) [5–10] e químicas [11–14], demonstrando aplicabilidade em sensores [15], fotodetectores e transistores de efeito de campo [5,6,16,17].

Diferente de muitos outros semicondutores 2D, InSe exibe estrutura de bandas distinta com máximo de banda de valência plano e mínimo de banda de condução parabólico, que juntos conferem alto coeficiente de Seebeck e fator de potência favorável [18,19]. Sua condutividade térmica de rede, porém, permanece modesta, situando-se entre grafeno e monocamadas de SnSe [18,19]. Combinação de alta condutividade elétrica e baixa condutividade térmica torna InSe candidato atrativo para aplicações termoelétricas.

Flexibilidade mecânica permite monocamadas de InSe acomodar tensão biaxial ou uniaxial substancial sem falha estrutural, permitindo ajuste contínuo de propriedades eletrônicas e fônicas [20–22]. Estudos prévios mostraram que tensão compressiva pode converger vales de banda de condução e aumentar fator de potência [23], enquanto tensão de tração espera modificar tanto estrutura de bandas quanto dinâmica de rede, embora de maneira material-específica. Neste trabalho, empregamos teoria do funcional da densidade e cálculos de transporte de fônons para explorar como tensão de tração biaxial afeta estrutura eletrônica, transporte de portadores e condutividade térmica de rede de monocamadas de InSe, e avaliar impacto resultante na figura de mérito termoelétrica.

Metodologia

Cálculos de primeiros princípios realizados usando Pacote de Simulação Ab Initio de Vienna (VASP) [24–26] com método de onda aumentada projetada (PAW) e aproximação de densidade local (LDA) [27–29]. Espaçamento de vácuo de 12 Å ao longo do eixo c elimina interações intercamadas espúrias. Para relaxamento estrutural usamos grade de k-pontos 21 × 21 × 1, enquanto propriedades eletrônicas computadas em malha mais densa 31 × 31 × 1. Corte de onda plana definido em 500 eV, e limiares de convergência 10⁻⁴ eV para energia total e 10⁻³ eV Å⁻¹ para forças.

Coeficientes de transporte eletrônico obtidos dentro de aproximação de tempo de relaxação constante usando BoltzTraP [30,31]. Coeficiente de Seebeck S, condutividade elétrica σ e condutividade térmica eletrônica κₑ derivados da função de distribuição de transporte como descrito nas equações (1)–(3). Tempos de relaxação de portadores τ estimados da teoria de potencial de deformação [43,44], onde mobilidade μ relacionada a módulo elástico C, constante de potencial de deformação E₁ e massa efetiva m*. Para cada estado de tensão extraímos C da segunda derivada da energia total em relação à tensão e E₁ do deslocamento de bordas de banda.

Transporte de fônons tratado com ShengBTE [32], que resolve equação de transporte de Boltzmann para fônons. Constantes de força harmônicas calculadas via teoria de perturbação do funcional da densidade em supercélula 5 × 5 × 1, enquanto constantes de força anarmônicas obtidas com método de diferenças finitas em supercélula 4 × 4 × 1. Relações de dispersão de fônons geradas usando Phonopy [35].

Resultados e Discussão

Estrutura Cristalina e Geometria de Tensão

Na configuração relaxada, monocamada de InSe consiste em sanduíche Se–In–In–Se formando rede favo de mel. Constante de rede de equilíbrio a₀ = 3,95 Å. Tensão de tração biaxial δ = (a − a₀)/a₀ × 100% aplicada preservando simetria cristalina. Tensão aumenta comprimento de ligação In–Se e ângulo In–Se–In (ver Fig. 1b).

Estrutura de Bandas Eletrônicas

Monocamada sem tensão é semicondutor indireto com lacuna de 1,67 eV, mínimo de banda de condução em Γ e máximo de banda de valência entre Γ e K. Banda de valência exibe dispersão tipo chapéu mexicano, marca de muitos semicondutores 2D [36–39]. Tensão de tração abaixa mínimo de banda de condução mais fortemente que banda de valência, reduzindo lacuna de banda. A 6% tensão lacuna estreita significativamente, e convergência de vales de banda de condução suprimida, aumentando separação de energia entre vales.

Coeficientes de Transporte

Usando estrutura eletrônica calculada, computamos coeficiente de Seebeck S(μ) como função de potencial químico a 300 K. Máximo S diminui com tensão, refletindo lacuna de banda reduzida. Condutividade elétrica σ/τ segue concentração de portadores, e com tempos de relaxação derivados acima, σ aumenta para sistemas fortemente dopados tipo-p sob tensão, devido a mobilidade de lacunas aumentada. Condutividade térmica eletrônica κₑ obedece lei de Wiedemann-Franz. Fator de potência resultante PF = S²σ/τ mostra leve redução com tensão, como ilustrado na Fig. 3d.

Condutividade Térmica de Fônons

Condutividade térmica de rede κₗ calculada da equação de Boltzmann de fônons. No caso sem tensão κₗ = 25,9 W m⁻¹ K⁻¹ a 300 K, em concordância com trabalho prévio [19]. Aplicando 6% tensão de tração reduz κₗ pela metade para 13,1 W m⁻¹ K⁻¹. Redução origina-se de três efeitos entrelaçados: (i) taxas aumentadas de espalhamento fônico anarmônico, (ii) velocidades de grupo de fônons diminuídas — especialmente nos ramos acústicos longitudinal e transversal — e (iii) capacidade calorífica de fônons reduzida devido a modo ZA amolecido e densidade de estados reduzida. Figura 4c mostra dispersões de fônons; ramo ZA evolui de quadrática para quase linear, e modos ópticos deslocam para frequências menores sob tensão.

Figura de Mérito

Combinando contribuições eletrônicas e de rede obtém-se figura de mérito termoelétrica ZT = S²σT/(κₑ + κₗ). A 300 K pico ZT de monocamada sem tensão é 0,36. Sob 6% tensão pico sobe para 0,52, refletindo papel dominante da condutividade térmica de rede reduzida. Nossos resultados sugerem que tensão de tração biaxial é rota viável para aumentar eficiência termoelétrica do InSe.

Conclusão

Demonstramos através de cálculos de primeiros princípios que tensão de tração biaxial melhora marcadamente desempenho termoelétrico de monocamadas de InSe. Tensão reduz lacuna de banda e ligeiramente diminui coeficiente de Seebeck, mas simultaneamente aumenta espalhamento fônico anarmônico, diminui velocidades de grupo de fônons e capacidade calorífica, e corta condutividade térmica de rede quase pela metade. Efeito líquido é figura de mérito aumentada, indicando que engenharia de tensão pode tornar InSe material termoelétrico promissor.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Conjuntos de dados gerados e/ou analisados durante estudo atual disponíveis do autor correspondente sob solicitação.

Abreviações

2D

Bidimensional

CBM

Mínimo da banda de condução

τ

Tempo de relaxação

C_ph

Capacidade calorífica de fônons

FET

Transistor de efeito de campo

LA

Dispersão de fônons acústicos longitudinal

PF

Fator de potência

S

Coeficiente de Seebeck

TA

Dispersão de fônons acústicos transversal

VBM

Máximo da banda de valência

ZA

Dispersão de fônons acústicos do eixo z

ZT

Figura de mérito

ε_f

Nível de Fermi

Κ_e

Condutividade térmica com contribuições de portadores eletrônicos

Κ_l

Condutividade térmica com contribuições de rede

σ

Condutividade elétrica