双轴拉伸应变增强InSe单层热电性能

摘要

应变工程为调控二维(2D)材料物理特性提供实用途径，得益于其卓越柔韧性。本研究利用第一性原理计算，系统探讨双轴拉伸应变对InSe单层电子、声子及热电性质的影响。结果表明，施加高达6%的应变可将晶格热导率从25.9降至13.1 W·m⁻¹·K⁻¹，归因于声子非谐散射增强、声子群速度降低和热容减小。结果热电优值ZT显著提升，证明拉伸应变是改善InSe热电性能的有效策略。

引言

自石墨烯发现以来，二维半导体因其卓越电子、光学和力学性质引发研究热潮。金属硫属化物单层尤为突出，成为纳米电子学和纳米光子学的有前景候选[1-4]。铟硒(InSe)是III-VI层状化合物，近年因其高载流子迁移率、优异力学柔韧性和光电器件潜力受关注。实验已通过物理(机械剥离、分子束外延)[5-10]和化学路线[11-14]成功制备单层和少层InSe，并展示其在传感器[15]、光电探测器和场效应晶体管[5,6,16,17]中的应用。

与许多其他二维半导体不同，InSe呈现独特能带结构：平坦价带顶和抛物线导带底，赋予其高塞贝克系数和有利功率因子[18,19]。但其晶格热导率处于石墨烯和SnSe单层之间[18,19]。高电导率与低热导率的结合使InSe成为热电应用的有吸引力候选。

力学柔韧性使InSe单层能承受较大双轴或单轴应变而不破坏结构，从而连续调控电子和声子性质[20-22]。前人研究显示压缩应变可汇聚导带谷并提升功率因子[23]，而拉伸应变预期以材料特定方式修饰能带结构和晶格动力学。本工作采用密度泛函理论和声子输运计算，探究双轴拉伸应变如何影响InSe单层电子结构、载流子输运和晶格热导率，并评估对热电优值的影响。

计算方法

第一性原理计算采用维也纳从头模拟包(VASP)[24-26]，用投影增强波(PAW)方法和局域密度近似(LDA)[27-29]。c轴12 Å真空层消除虚假层间相互作用。结构弛豫用21×21×1 k点网格，电子性质用更密31×31×1网格。平面波截断能500 eV，总能量和力收敛阈值分别为10⁻⁴ eV和10⁻³ eV/Å。

电子输运系数在常弛豫时间近似下用BoltzTraP[30,31]计算。塞贝克系数S、电导率σ和电子热导率κₜ由输运分布函数按式(1)–(3)导出。载流子弛豫时间τ由变形势理论[43,44]估算，迁移率μ与弹性模量C、变形势常数E₁和有效质量m*相关。各应变态下从总能量对应变二阶导数提取C，从带边位移提取E₁。

声子输运用ShengBTE[32]处理，求解声子玻尔兹曼输运方程。谐力常数用密度泛函微扰理论在5×5×1超胞计算，非谐力常数用有限差分法在4×4×1超胞获取。声子色散关系用Phonopy[35]生成。

结果与讨论

晶体结构与应变几何

弛豫构型中，InSe单层由Se-In-In-Se三明治结构形成蜂窝晶格。平衡晶格常数a₀=3.95 Å。双轴拉伸应变δ=(a−a₀)/a₀×100%施加于保持晶体对称性条件下。应变增加In-Se键长和In-Se-In键角(见图1b)。

双轴拉伸应变增强InSe单层热电性能 — a 单层InSe俯视图和侧视图。粉球和绿球分别代表In和Se原子。b In-Se键长和键角随双轴拉伸应变增加的变化。InSe单层基本a₀×a₀单胞和x×y超胞分别用红蓝虚线标示

电子能带结构

无应变单层为间接半导体，带隙1.67 eV，导带底在Γ点，价带顶在Γ-K间。价带呈墨西哥帽色散，是许多二维半导体标志[36-39]。拉伸应变降低导带底幅度大于价带，缩小带隙。6%应变下带隙显著收窄，导带谷汇聚受抑制，谷间能量分离增大。

输运系数

基于计算电子结构，计算300 K下塞贝克系数S(μ)随化学势变化。最大S随应变减小，反映带隙缩小。电导率σ/τ随载流子浓度变化，结合上述弛豜时间，重掺p型体系在应变下σ增大，因空穴迁移率提升。电子热导率κₜ遵循Wiedemann-Franz定律。功率因子PF=S²σ/τ随应变略微下降(图3d)。

声子热导率

晶格热导率κₗ由声子玻尔兹曼方程计算。无应变时κₗ=25.9 W·m⁻¹·K⁻¹(300 K)，与前人工作一致[19]。施加6%拉伸应变使κₗ减半至13.1 W·m⁻¹·K⁻¹。降低源于三重交织效应：(i)声子非谐散射率增强，(ii)声子群速度降低——特别是纵声(LA)和横声(TA)声学支，(iii)ZA模式软化和态密度减小导致声子热容降低。图4c展示声子色散；ZA支从二次趋向近线性，光学支在应变下红移低频。