界面设计对磷烯-四硫富瓦烯纳米器件热电传输性质的影响

Posted · Add Comment

简介

近年来,低维纳米器件,特别是单分子器件,因其高导电率、低导热率而在热电研究领域受到了广泛的关注。其中,电极-分子界面的设计对单分子器件的热电转换特性起着至关重要的作用。界面设计和能带工程是提高低维纳米器件热电转换效率的两个关键策略。通过基于第一原理的密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,研究了单个四硫富瓦烯(TTF)分子与扶手椅磷烯纳米带(APNRs)在不同界面模式下的热电性能。结果表明,由于强界面声子散射行为,声子传输在居间弱耦合系统中被显著抑制。此外,通过在居间TTF分子的头尾连接噻吩基团可以得到显著增强的热电优值(ZT)。与单一常规方法相比,复合界面协同设计可以实现更精确的热/电传输性能控制。在保持低声子热导的同时,可以有效提高电导,在0.6eV附近获得了0.73的ZT值。

图. 不同耦合情况下磷烯-TTF纳米器件结构示意图

研究内容

此项研究选取具有较高的载流子迁移率和中等带隙的磷烯纳米带为电极,具有优异的共轭性和高电导性的TTF分子为中心分子,研究了不同耦合下磷烯-TTF分子结的热电性能。然而,关于TTF分子结的热电性质和界面设计对分子结的热电性质的影响的微观机制仍然缺乏。本研究系统地比较了在强耦合和居间弱耦合界面模式下TTF分子结的热电输运特性差异的内在机制。密度泛函理论计算结果表明,由于强界面声子散射行为,声子传输在居间弱耦合系统中被显著抑制,只有极少数声子可以通过两个非键合界面区域从左侧引线传播到TTF分子,然后再传播到右侧引线。同时,居间若耦合系统的电子输运能力得到显著提高,这是由于TTF分子具有良好的平面外电子输运能力。此外,基于面外电子传输机制,在居间TTF分子的头尾连接噻吩基团(THTTF)可以显著提高弱耦合体系的S2σ,并且存在从S原子到上下APNRs的明显电荷转移。加入噻吩基团后,在费米能级两侧THTTF的投影态密度(PDOS)较TTF明显增加。结果表明,与TTF相比,加入噻吩基团后的THTTF更有利于高电导,PDOS结果加强了噻吩基团的有益作用。同时,居间弱耦合结构这一特性能够保证声子传输保持在一个较低的水平。

图.(a-b)传输路径(c)TTF分子的结构示意图以及每个原子的自然轨道所占据的电子数
图. (a-b)电子态密度(c)投影态密度
图.加噻吩基团前后居间弱耦合结构的电导、塞贝克系数、功率因子和热电优值

总结

此项研究利用QuantumATK软件,基于第一原理的密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,研究了单个TTF分子与APNR电极在强耦合和居间弱耦合方式下的热电输运特性。并设计了一种在居间弱耦合结构下加入官能团来调节体系ZT的复合调控方法。结果表明,界面协同设计可以有效地调节分子器件的热电输运特性。

参考

  • Qiu, Y.; Zhang, B. Interface design of the thermoelectric transport properties of phosphorene–tetrathiafulvalene nanoscale devices. Phys. Chem. Chem. Phys., 2023. https://doi.org/10.1039/D3CP03120A

 
  • 标签

  •