新型二维SiSe的能带结构与塞贝克系数的第一性原理计算

西南大学物理科学与技术学院 杨萧玥

能够把热能直接转化成电能的热电材料近几年被广泛研究，我们采用第一性原理计算和玻耳兹曼输运理论研究了一种新型二维SiSe单层在300 K、400 K、500 K三种温度下的塞贝克系数。计算结果表明，当载流子浓度约为106cm-2时，n型SiSe单层的塞贝克系数在500 K下可达1490 μV K-1，p型SiSe单层的塞贝克系数可达1576 μV K-1，这说明SiSe可能是一种有潜力的热电材料。

近年来，由于能源的短缺及环境问题的加重，人们需要寻找新的环境友好的能源。一种可以把热能转换成电能的功能材料——热电材料，引起了科学家们的广泛关注。热能转换成电能主要依靠塞贝克效应来实现。两种不同的金属构成一个完整的闭合回路时，如果相接触的地方有温度差，那么电路中会产生温差电动势从而使电路中存在电流，这就是塞贝克效应。

塞贝克系数可以表示为：

其中，V是温差电动势，T是绝对温度，温度差和塞贝克系数越大产生的电动势越大。因此，我们可以探究材料是否具有较高的塞贝克系数，其可能是有潜力的热电材料。

随着技术的发展，许多二维范德华材料比如石墨烯、磷烯和过渡金属二卤化物等已经成功合成。已经有很多研究在理论上探索了具有良好热电性能的IV–VI族化合物，例如二维SnSe和GeSe，这些材料都有较高的塞贝克系数。因此，二维铅硫属化合物可能具有较高的塞贝克系数。到目前为止，对一些已成功合成或预测的二维材料，有关塞贝克系数的理论计算都是有限的，二维材料可能具有许多不同的结构。因此，理论上可以研究所有可能存在的化合物形式并研究其塞贝克系数，可以为实验相关研究奠定基础。C. Kamal等人提出了二维IV-VI族（XY）材料（X=C，Si，Ge，Sn和Y=O，S，Se，Te）的可能结构，计算了这些材料的能带结构并证明了其稳定性，我们选择二维SiSe，采用第一性原理计算和玻耳兹曼输运理论研究了其能带结构和塞贝克系数。

本文基于密度泛函理论（DFT），使用投影缀加平面波方法（PAW）与VASP软件包来优化SiSe的几何结构，其中，平面波截断能设置为400 eV。我们使用45×45×1的k点网格，能量和每个原子力的收敛标准分别为10-7eV和0.01 eV /Å，应用了15 Å的真空区域来消除相邻SiSe单层之间的相互作用。使用精确的电子结构作为输入文件，我们使用基于半经典玻尔兹曼输运理论制作的BoltzTrap程序计算了SiSe单层的塞贝克系数S。

图1 SiSe单层晶体结构示意图

图3 n型（a）和p型（b）SiSe单层的塞贝克系数与载流子浓度的关系

优化后的二维SiSe结构的俯视图和侧视图如图1所示，该结构和蓝磷的结构类似。SiSe在平面上是各向同性的，属于P3m的空间群，每个原胞中有两个原子，优化后SiSe单层的晶格常数为3.52 Å。这与别人的计算结果基本一致，表明我们设置的参数是合理的，得到的结果比较可靠，可以进行下一步的计算。

图2 SiSe单层的能带结构

SiSe单层的能带结构如图2所示，可以看出，这是一个带隙为2.12 eV的间接带隙半导体，价带的最大值在Γ-K方向的某一点处，而导带的最小值在M-Γ方向的某一点处。价带顶的能带边缘比较平坦，这种能带结构一般对应着较高的塞贝克系数。

接着，我们计算了n型和p型SiSe的塞贝克系数，其与载流子浓度的关系如图3所示。从图中可以看出，n型和p型SiSe的塞贝克系数的绝对值在温度低时比较小，当载流子浓度升高时，塞贝克系数的绝对值减小，但是在恒定载流子浓度下，塞贝克系数的绝对值随着温度的升高而增加。n型SiSe单层的塞贝克系数的绝对值略小于p型，当载流子浓度约为106 cm-2时，在300 K到500 K的温度范围内，n型SiSe塞贝克系数的绝对值为1470 μV K-1到1490 μV K-1，p型SiSe塞贝克系数的值为1551 μV K-1到1576 μV K-1，大于一些热电性能良好的二维材料的塞贝克系数，这表明SiSe单层可能具有良好的热电性能。

综上所述，我们利用第一性原理计算和半经典玻尔兹曼输运理论研究了二维SiSe单层的能带结构和塞贝克系数。首先，我们通过二维SiSe的几何优化确定了最稳定的晶体结构，其晶格常数为3.52 Å。通过求解玻尔兹曼输运理论，我们得到了300K、400K、500K三种温度下的塞贝克系数，当温度范围在300 K到500 K之间，载流子浓度约为106 cm-2时，n型SiSe塞贝克系数的绝对值为1470 μV K-1到1490 μV K-1，p型SiSe塞贝克系数的值为1551 μV K-1到1576 μV K-1，这是一个较高的值，表明着二维SiSe单层可能是有潜力的热电材料。