Application of the Dresselhaus and Hicks model to WS2 based thermoelectric devices

Abstract

La busqueda de materiales termoeléctricos de alta eficiencia ha hecho de los materiales nano estructurados una alternativa atractiva para dispositivos de conversión termoeléctrica. En este trabajo se estudiaron las heteroestructuras de grafeno y disulfuro de tungsteno, o WS2, desde un punto de vista teórico y experimental. Desde la perspectica teorica, la aproximacion del tiempo de relajación predice que el disulfuro de tungsteno debería ser un buen termoeléctrico de alta temperatura (~ 1000 K). Así mismo, su eficiencia termoeléctrica, dada por el coeficiente ZT, se puede optimizar mediante dopaje. Al modelar la heteroestructura entre disulfuro de tungsteno y grafeno con un potencial tipo Kronnig Penney, encontramos que los electrones de conducción se mueven cuasi libremente a través de la interfase. Esto nos lleva a pensar que la contribución de la nano estructuración es fonónica mas que electrónica. En el ambito experimental se fabricaron dichas heteroestructuras a partir de WS2 y grafeno exfoliado electroquímicamente.

The quest for high performance thermoelectric devices has made nano structured materials an attractive and viable alternative. Here we study tungsten disulfide/graphene heterostructures as a possible thermoelectric material from a theoretical and experimental point of view. Theoretically speaking, tungsten disulfide, o WS2, should be a high temperature (~ 1000 K) good thermoelectric, as predicted by the constant relaxation time approximation. Furthermore, its thermoelectric efficiency, given by the dimentionless ZT coefficient, may be optimally maximized through doping. By modelling the heterostructure between tungsten disulfide and graphene as a Kronning Penney type potential, we find that conduction electrons may move across the interphase in a quasi free like fashion. This lead us to believe that the main benefit from nano structures is phononic rather than electronic. From an experimental point of view, we fabricated thermoelectric devices based on WS2 and electrochemically exfoliated graphene.