Znanstvene vijesti — 18.05.2018.

Struktura vrpci termoelektrika SnSe

Naš kolega Petar Pervan je nedavno u suradnji s grupama iz SAD-a i Italije objavio članak u prestižnom časopisu Physical Review Letters o elektronskoj strukturi kositar-selenidu, slojevitom materijalu s izraženim termoelektričnim efektom.

 

Band Structure of the IV-VI Black Phosphorus Analog and Thermoelectric SnSe

I. Pletikosić, F. von Rohr, P. Pervan, P. K. Das, I. Vobornik, R. J. Cava, T. Valla, Physical Review Letters 120, 156402 (2018).

DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.156403

 

Novi razvoji u elektronici i fotonici zahtijevaju materijale s brzim elektronskim odzivom. Istraživanja u tom smjeru su se, uz grafen, okrenula i njemu srodnoj saćastoj strukturi fosforena čiji slojevi grade tzv. crni fosfor. Prednosti fosforena su gotovo potpuni izostanak defekata i visoka pokretljivost nosioca naboja, a za razliku od grafena ima i energetski procijep. Uslijed toga moguća je kontrola elektronskih svojstava fosforena promjenom podloge ili elektrokemijskog potencijala što je od posebnog interesa za izgradnju poluvodičkih uređaja poput digitalnih sklopova, lasera, fotovoltaičkih senzora itd.

Dobra pokretljivost nosilaca naboja u fosforenu također omogućuje i visoku termoelektričnu iskoristivost, tj. pretvaranje toplinskog toka u električni napon. Na žalost, svojstva fosforena brzo propadaju u kontaktu s kisikom i vodom iz zraka, pa je upravo zbog toga od velike važnosti nalaženje srodnih, kemijski stabilnih poluvodiča. Kositar-selenid, SnSe, jest jedan od elektronskih i strukturnih analoga crnog fosfora sa svim poželjnim svojstvima termoelektrika: posjeduje visoku mobilnost nosilaca naboja, čak višu nego fosforen, a u kontaktu s atmosferom ostaje stabilan.

The crystal structure of SnSe viewed (left) along, and (right) perpendicular to the layers. The lower of the two layers contained in the unit cell, A and B, has in the right panel been made nearly invisible.

Kristalna struktura SnSe (lijevo) uzduž i (desno) okomito na slojeve. Niži od dva (A,B) sloja u jediničnoj ćeliji je na desnoj slici izostavljen.

U ovom su radu tehnikom kutno razlučive fotoelektronske spektroskopije (ARPES) na niskim temperaturama detaljno ispitivana svojstva elektronskih vrpci SnSe koje izravno uvjetuju termoelektrična svojstva materijala. Novi eksperimentalni podaci razotkrivaju detalje koji su do sad bili nepoznati, poglavito izraženu anizotropiju elektronske disperzije i složene višestruke džepove pokretljivih elektronskih šupljina koji unatoč donekle nižoj gustoći nosioca ipak osiguravaju kositar-selenidu njegova iznimna termoelektrična svojstva.

Energy dispersion cuts of the highest-lying pockets in the valence band structure of SnSe along two perpendicular directions in the momentum plane parallel to the layers. Panels (a) and (b) show the holelike pockets centered around Z̄ and (c) and (d) the pockets in the vicinity of Ȳ. The bands are overlaid by parabolic fits used to estimate the effective mass. 34 eV photons were used in (a),(b) and 50 eV in (c),(d).

Presjeci elektronske disperzije najviših džepova u valentnoj vrpci SnSe uzduž dva međusobno okomita smjera ravnine elektronskog impulsa paralelne slojevima. Paneli (a) i (b) pokazuju džepove šupljina centrirane oko točke Z̄, a (c) i (d) džepove blizu točke Ȳ. Crtkane linije predstavljaju parabole koje ocjenjuju efektivnu masu pripadnih nosioca naboja. Fotoni od 34 eV su korišteni kod panela (a), (b) a 50 eV kod (c),(d).

IF Ⓒ 2017 Ndoc Deda