浙江大學&中科院Nat. Commun. : 硒化錫單晶的空穴摻雜效應與多谷傳輸特性

【引言】

硒化錫是一種優異的熱電材料，在923 K溫度時，其熱電轉換效率(ZT)可達到2.6。值得注意的是，硒化錫在810 K處存在二階相變，從低溫Pnma相轉變為高溫Cmcm相。當硒化錫在Cmcm相時具有非常小的直接帶隙（0.46 eV），然而這么小的帶隙不足以抑制傳導帶中電子的熱激活，進而導致熱電性能低下。研究者通過引入重空穴摻雜，可以最大限度的提升了硒化錫的熱電性能；其中通過堿金屬鈉作為空穴摻雜劑也可以大幅度提升硒化錫的熱電性能。但是，其摻雜增強熱電性能的物理機制卻仍然不太明了。

【成果簡介】

近日，浙江大學鄭毅和中科院沈大偉等人在Nat. Commun.上發表了一篇名為“Defects controlled hole doping and multivalley transport in SnSe single crystals”的文章。研究者報道了用角分辨光電子能譜研究了硒化錫的高各向異性電子結構，揭示了一種硒化錫的電子結構中具有準線性能色散的獨特布丁狀價電子帶。這為解釋摻雜機制提供了理論基礎。

【圖文簡介】

圖1：硒化錫單晶表征

(a). 硒化錫晶體BP型折疊雙層結構，紅球籃球分別代表硒和錫原子；

(b). 硒化錫晶體的原子級分辨率nc-AFM圖；

(c). 硒化錫晶體的T-ρ(溫度-電阻)曲線；

(d). SnSe/SnSe2異質結的能級對準圖；

(e). SF1-SnSe和SF3-SnSe的塞貝克曲線；

(f). SF1-SnSe和SF3-SnSe的溫度相關霍爾測試。

圖2：角分辨光電子能譜(ARPES)分析P-SnSe電子結構

(a-c). 沿Z–Γ–Z, U–Y–U 和Y–Γ–Y垂直對稱方向的角分辨光電子能譜測試；

(d, e). a, b圖能帶色散譜對應的二階導數圖；

(f, g). 沿Γ–Z方向的導帶頂的特寫鏡頭揭示了理論頻帶色散(f)和角分辨光電子測試結果(g)的顯著差異；

(h). 帶波紋布丁模形的導帶示意圖，插圖為預計的二維第一布里淵區的ARPES切線方向；

(I, j). 恒定能量等值線疊加圖的比較。

圖3: p-SnSe中摻雜相關的高度各向異性弱局域化

(a, b). SF1-SnSe分別在I//c和I//b處的核磁共振成像；

(c, d). SF3-SnSe在低場核磁共振表現更小的各向異性，然而在這些樣品中在弱局域化的校正電阻率卻更強。

圖4：點位錯誘導的p-SnSe中的三維費米面

(a, b). SF3-SnSe分別在I//c和I//b處的角度相關SDH振蕩；

(c). SF1-SnSe分別在I//b處的角度相關SDH振蕩的極化等高曲線；

(d). 薄膜晶體脫位的AFM圖像；

(e). SF3-SnSe的溫度依賴SdH振幅的LK模型擬合。

【小結】

? 此項研究結果為研究SnSe中的空穴摻雜機制提供了充分的理論依據，研究表明SnSe是由隨機分布的SnSe₂微疇嵌入體所控制的。在SnSe中引入自摻雜空穴而不形成SnSe₂插層可能是獲得空位的另一種策略。該研究結果表明，缺陷工程可以為提高SnSe家族的熱電性能提供多種途徑。

文獻鏈接：Defects controlled hole doping and multivalley transport in SnSe single crystals (Nat. Commun, 2018，DOI: 10.1038/s41467-017-02566-1)

本文由材料人電子電工學術組劉于金供稿，材料牛整理編輯。

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