超低晶格热导率和独特的电子特性使得层状MSe（M = Ga、In、Tl）材料具有优异的热电性能

《ChemPhysChem》：Ultralow Lattice Thermal Conductivity and Distinctive Electronic Features Lead Giant Thermoelectricity in Layered MSe (M = Ga, In, Tl)

层状III-VI半导体GaSe、InSe和TlSe的热电性能通过第一性原理计算和声子传输模拟系统比较。TlSe因显著声子软化、平直声子支及低晶格热导率（达2.89 ZT值）表现最优，GaSe次之（1.68 ZT），InSe最差（1.41 ZT）。材料热电性能差异主要由声子散射机制及载流子特性决定。

　　

摘要

我们利用第一性原理密度泛函理论和声子传输计算，系统地比较了层状III-VI族半导体GaSe、InSe和TlSe的结构、力学、振动、电子以及热电（TE）性能。在这三种材料中，GaSe具有最高的熱力学和力学稳定性；InSe表现出延展性；而TlSe的机械硬度较低，弹性模量也较小。TlSe较低的机械刚性对其热传输性能起着关键作用，尤其是导致其晶格热导率显著降低。由于非传统的能带收敛现象，GaSe和InSe的塞贝克系数相对较高，这种现象增强了费米能级附近的态密度，从而提高了热电势。相比之下，TlSe缺乏这种能带收敛现象，导致其塞贝克系数较低。然而，TlSe具有优异的导电性，这一特性与其超低的晶格热导率相结合，弥补了其较低的塞贝克效应。TlSe的热电效率最高，这主要归功于其超低的晶格热导率、明显的声子软化效应、平坦的声学声子分支以及主导的垂直于平面的振动模式，这些因素增强了声子-声子散射。虽然各系统中的中频光学声子群速度相当，但热电优值（ZT）的差异主要受声学声子以及低频和高频光学声子速度变化的影响。热电优值（ZT）的计算进一步支持了TlSe的优异性能，在600 K时的最大ZT值为2.89，超过了GaSe（1.68）和InSe（1.41）。Bader电荷分析、电荷密度分布和德拜温度计算也进一步证实了TlSe在所研究化合物中的优越热电效率。这些结果表明，与GaSe和InSe相比，TlSe是热电应用的有希望的候选材料，其超低的晶格热导率和优化的声子动力学有效地弥补了其相对较低的塞贝克系数。

图形摘要

本文对GaSe、InSe和TlSe块状系统进行了比较分析，展示了非传统的能带收敛现象、声子软化效应以及降低的晶格热导率如何共同提升热电性能，其中TlSe的预测ZT值最高。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

本研究的支持数据可以在文章及其配套材料中找到。