塞贝克系数、半金属、热电效应、二维材料、费米面、DFT计算
1、案例背景
外尔半金属因其独特的物理特性以及超高的横向热电功率因子而闻名，但通常表现出极低的塞贝克系数，常规的热电性能优化策略无法解决这一问题。Td-phase二碲化钨（Td-WTe2）具有良好的超导性、热电性能和巨磁阻等性质，WTe2是具有自旋轨道耦合（SOC）效应的II型外尔半金属，其具有出色的柔韧性，能实现可逆强变形，使其成为低维度柔性设备应用的理想材料。追求WTe2材料塞贝克系数（S）优化策略对于释放其热电潜力至关重要。鉴于半金属材料特有的补偿电子结构，作者提出了一种简单的机制，通过对半金属费米面特征和温度依赖的态密度进行协同调整，实现较高的塞贝克功率因子。
2、建模与计算方法
作者在MedeA Environment中借助InfoMaticA工具检索了WTe2晶胞，在Zigzag方向施加2%-10%的拉伸应变。采用MedeA VASP模块中GGA-PBE方法，对WTe2体系进行结构优化考虑自旋轨道耦合（SOC）效应，计算能带结构与态密度（DOS）等电子性质；随后用用MedeA Electronics模块对WTe2体系进行含温度影响的DOS分布、Seebeck系数、电导率等输运性质分析。
3、结果与讨论
3.1 WTe2结构及电子性质
本案例中作者使用MedeA VASP模块对WTe2体系进行结构优化并计算能带结构及DOS（图1）。图1a为Td-WTe2晶体结构，a=6.30 Å（armchair），b=3.52 Å（zigzag）与前人研究一致；图1b中其能带结构沿zigzag方向（Y）呈现W-W链交替的金属特征；单层WTe2中，可以看到相当数量的空穴和电子，如图1c所示；随温度升高，净载流子浓度急剧下降至零，证明电子和空穴相互补偿，这是理想的Weyl半金属所期望的。图1d显示随温度升高，费米能级处DOS尖峰转变为更柔和的轮廓，增强了其在费米能级附近的对称性，实现了增强的电子-空穴补偿。
图1 (a) Td-phase WTe2结构；(b) 能带结构；(c) 净载流子密度；(d) 平滑态密度（DOS）
随后作者对WTe2体系在Zigzag方向施加2%-10%的拉伸应变，计算能带结构见图2。从图2可知，Y方向加2%-10%的拉伸应变可以打开带隙（0.04-0.1 eV），除了8%和10%外，费米能级保持在CBM（导带底）内，表现除简并n型半导体性质。随应变增加，CBM和VBM（价带顶）相对于费米能级的相对位置变化对载流子性质和TE（热电材料）性能产生了复杂影响。
图2 沿Y方向张应力对单层Td-WTe2能带结构影响 (a) 直接带隙中导带底（CBM）与价带顶（VBM）直接的能量差异及费米能级处波函数空间分布；(b) 费米能级负极的能带结构
3.2 电子输运性质
作者采用MedeA Electronics模块计算WTe2体系塞贝克系数，见图3。图3a显示在应变条件下，净载流子浓度随温度变化保持不变，表明电子-空穴竞争显著减小。WTe2结构在4%、6%和10%应变下表现出n型，而2%和8%应变下表现出p型特征。图3c当应变幅度超过4%，电子和空穴浓度差异明显扩大，WTe2体系仍呈现独特的半金属性质。计算得到的单层WTe2体系S与实验测试值接近（图3d），表面层间范德华相互作用对WTe2面内S影响很小；10%的应变将WTe2的S值从提高到50 K超过，300 K时超过。综上，低温有利于保持应变对电子 - 空穴补偿的效果，应变策略显著提高了50 K时WTe2体系玻尔兹曼输运性质，特别是塞贝克系数。随后计算功率因子（PF），10%应变下PF增加了六倍，X方向上达到0.2W/mK2，Y方向约0.1W/mK2。
图3 (a) 净载流子密度；(b) 折叠相应费米-狄拉克分布函数的温度依赖的态密度(DOS)；(c) 室温下电子/空穴浓度及比值；(d) 沿Y方向拉伸应变下单层Td-WTe2的塞贝克系数影响
4、总结与展望
作者系统研究了半金属WTe2中补偿的电子-空穴特性是其低塞贝克系数（S）的根本原因。作者提出并证实沿着W-W链施加应变可对热电材料性质产生复杂影响，这是电子分布和带边结构综合反映；适当的应变能够维持高电子浓度并诱导超高的塞贝克系数和超低的晶格热热导率，从而无需通过掺杂来实现。本项工作通过巧妙设计费米面来实现高性能半金属热电器件铺平了道路。
参考文献：
DOI: 10.1063/5.0244798
使用MedeA模块：
MedeA Environment
MedeA VASP
MedeA Electronics
