A 2D ZrI2 monolayer with a high dimensionless figure of merit (ZT) is analyzed in terms of intrinsic carrier concentrations, transport coefficients, and a bipolar effect. The ZrI2 monolayer with a space group of P21/m is fully optimized. The dynamic and thermal stabilities are verified by computing the phonon dispersion in addition to performing ab initio molecular dynamics simulation. The thermal conductivity of the lattice is evaluated by employing the phonon Boltzmann transport theory and the first-principle second and third force constants. The Seebeck coefficients, electronic thermal conductivities, and electric conductivities of the monolayer are determined by solving the relaxation time approximation semiclassical Boltzmann transport equation. To further explore the chance for promoting ZT, we investigate the manipulating effect of the carrier concentrations. The largest ZT with the bipolar effect can reach 7.86 at 700 K, implying that the ZrI2 monolayer has excellent thermoelectric performance.

1.
R.
Abe
,
J. Photochem. Photobiol., C
11
,
179
(
2010
).
2.
F. J.
DiSalvo
,
Science
285
,
703
(
1999
).
3.
G. J.
Snyder
and
E. S.
Toberer
,
Nat. Mater.
7
,
105
(
2008
).
4.
R. Q.
Zhang
,
Z. Z.
Zhou
,
Q.
Yao
,
N.
Qi
, and
Z. Q.
Chen
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
23
,
3794
(
2021
).
5.
S.
Chu
,
Y.
Cui
, and
N.
Liu
,
Nat. Mater.
16
,
16–22
(
2017
).
6.
M.
Aneke
and
M.
Wang
,
Appl. Energy
179
,
350
(
2016
).
7.
J.
Yang
,
L. L.
Xi
,
W. J.
Qiu
,
L. H.
Wu
,
X.
Shi
,
L. D.
Chen
,
J. H.
Yang
,
W. Q.
Zhang
,
C.
Uher
, and
D. J.
Singh
,
npj Comput. Mater.
2
,
15015
(
2016
).
8.
F. Q.
Wang
,
S. H.
Zhang
,
J. B.
Yu
, and
Q.
Wang
,
Nanoscale
7
,
15962
(
2015
).
9.
Y.
Wu
,
K.
Xu
,
C. C.
Ma
,
Y.
Chen
,
Z. X.
Lu
,
H.
Zhang
,
Z. L.
Fang
, and
R. J.
Zhang
,
Nano Energy
63
,
103870
(
2019
).
10.
X. W.
Zhang
,
Y. L.
Guo
,
Z. B.
Zhou
,
Y. H.
Li
,
Y. F.
Chen
, and
J. L.
Wang
,
Energy Environ. Sci.
14
,
4059
(
2021
).
11.
S.
Huang
,
Z. Y.
Wang
,
R.
Xiong
,
H. Y.
Yu
, and
J.
Shi
,
Nano Energy
62
,
212
(
2019
).
12.
I.
Chung
,
J. H.
Song
,
J.
Im
,
J.
Androulakis
,
C. D.
Malliakas
,
H.
Li
,
A. J.
Freeman
,
J. T.
Kenney
, and
M. G.
Kanatzidis
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
8579
8587
(
2012
).
13.
G. S.
Nolas
and
H. J.
Goldsmid
, “
Thermal conductivity of semiconductors
,” in
Thermal Conductivity
(
Springer
,
2004
).
14.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S. V.
Dubonos
,
I. V.
Grigorieva
, and
A. A.
Firsov
,
Science
306
,
666
(
2004
).
15.
M.
Liu
,
C. L.
Yang
,
M. S.
Wang
, and
X. G.
Ma
,
Physica E
135
,
114960
(
2022
).
16.
F.
Schedin
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
E. W.
Hill
,
P.
Blake
,
M. I.
Katsnelson
, and
K. S.
Novoselov
,
Nat. Mater.
6
,
652
(
2007
).
17.
B.
Peng
,
H. D.
Mei
,
H.
Zhang
,
H. Z.
Shao
,
K.
Xu
,
G.
Ni
,
Q. Y.
Jin
,
C. M.
Soukoulisd
, and
H. Y.
Zhu
,
Inorg. Chem. Front.
6
,
920
(
2019
).
18.
Y. F.
Hu
,
J.
Yang
,
Y. Q.
Yuan
, and
J. W.
Wang
,
Philos. Mag.
100
,
782
(
2020
).
19.
A.
Betal
,
J.
Bera
, and
S.
Sahu
,
Comput. Mater. Sci.
186
,
109977
(
2021
).
20.
D. H.
Guthrie
and
J. D.
Corbett
,
J. Solid State Chem.
37
,
256
(
1981
).
21.
J. D.
Corbett
and
D. H.
Guthrie
,
Inorg. Chem.
21
,
1747
(
1982
).
22.
T.
Zhang
,
Y.
Liang
,
X. L.
Xu
,
B. B.
Huang
,
Y.
Dai
, and
Y. D.
Ma
,
Phys. Rev. B
103
,
165420
(
2021
).
23.
X. N.
Ma
,
C.
Liu
,
W.
Ren
, and
S. A.
Nikolaev
,
npj Comput. Mater.
7
,
177
(
2021
).
24.
N.
Ding
,
J.
Chen
,
C. R.
Gui
,
H. P.
You
,
X. Y.
Yao
, and
S.
Dong
,
Phys. Rev. Mater.
5
,
084405
(
2021
).
25.
M. L.
Rossi
and
C. D.
Taylor
,
J. Nucl. Mater.
433
,
30
(
2013
).
26.
J. T.
Guo
,
Z. T.
Lu
,
K. Y.
Wang
,
X. W.
Zhao
,
G. C.
Hu
,
X. B.
Yuan
, and
J. F.
Ren
,
J. Phys.: Condens. Matter
34
,
075701
(
2022
).
27.
S.
Nosé
,
J. Chem. Phys.
81
,
511
(
1984
).
28.
W. G.
Hoover
,
Phys. Rev. A
31
,
1695
(
1985
).
29.
W.
Li
,
J.
Carrete
,
N. A.
Katcho
, and
N.
Mingo
,
Comput. Phys. Commun.
185
,
1747
(
2014
).
30.
J.
Heyd
,
G. E.
Scuseria
, and
M.
Ernzerhof
,
J. Chem. Phys.
118
,
8207
(
2003
).
31.
J.
Heyd
,
G. E.
Scuseria
, and
M.
Ernzerhof
,
J. Chem. Phys.
124
,
219906
(
2006
).
32.
S.
Foster
and
N.
Neophytou
,
Comput. Mater. Sci.
164
,
91
98
(
2019
).
33.
M.
Muzaffar
,
B.
Zhu
,
Q.
Yang
,
Y.
Zhou
,
S.
Zhang
,
Z.
Zhang
, and
J.
He
,
Mater. Today Phys.
9
,
100130
(
2019
).
34.
J. H.
Bahk
and
A.
Shakouri
,
Phys. Rev. B
93
,
165209
(
2016
).
35.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B.
54
,
11169
(
1996
).
36.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B.
47
,
558
(
1993
).
37.
P. E.
Blochl
,
Phys. Rev. B.
50
,
17953
(
1994
).
38.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrlich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
39.
M.
Jia
,
C. L.
Yang
,
M. S.
Wang
, and
X. G.
Ma
,
Appl. Surf. Sci.
575
,
151799
(
2022
).
40.
G. K. H.
Madsen
,
J.
Carrete
, and
M. J.
Verstraete
,
Comput. Phys. Commun.
231
,
140
(
2018
).
41.
D. J.
Singh
and
I. I.
Mazin
,
Phys. Rev. B
56
,
R1650
(
1997
).
42.
X. Y.
Huang
,
Z. W.
Zhuo
,
L.
Yan
,
Y.
Wang
,
N.
Xu
,
H. Z.
Song
, and
L. J.
Zhou
,
J. Phys. Chem. Lett.
12
,
7726
7732
(
2021
).
43.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
3868
(
1996
).
44.
X. L.
Zhu
,
P. F.
Liu
,
J. R.
Zhang
,
P.
Zhang
,
W. X.
Zhou
,
G. F.
Xie
, and
B. T.
Wang
,
Nanoscale
11
,
19923
(
2019
).
45.
Y.
Cai
,
G.
Zhang
, and
Y. W.
Zhang
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
6269
(
2014
).
46.
Z. H.
Sun
,
K. P.
Yuan
,
Z.
Chang
,
S. P.
Bi
,
X. L.
Zhang
, and
D. W.
Tang
,
Nanoscale
12
,
3330
(
2020
).
47.
A.
Togo
and
I.
Tanaka
,
Scr. Mater.
108
,
1–5
(
2015
).
48.
B.
Peng
,
H.
Zhang
,
H.
Shao
,
Y.
Xu
,
X.
Zhang
, and
H.
Zhu
,
RSC Adv.
6
,
5767
(
2016
).
49.
B.
Peng
,
D.
Zhang
,
H.
Zhang
,
H.
Shao
,
G.
Ni
,
Y.
Zhu
, and
H.
Zhu
,
Nanoscale
9
,
7397
7407
(
2017
).
50.
B.
Peng
,
H.
Zhang
,
H. Z.
Shao
,
Y. F.
Xu
,
G.
Ni
,
R. J.
Zhang
, and
H. Y.
Zhu
,
Phys. Rev. B
94
,
245420
(
2016
).
51.
W. L.
Tao
,
Y.
Mu
,
C. E.
Hu
,
Y.
Cheng
, and
G. F.
Ji
,
Philos. Mag.
99
,
1025
(
2019
).
52.
X.
Liu
,
T.
Ouyang
,
D. B.
Zhang
,
H. F.
Huang
,
H.
Wang
,
H. Y.
Wang
, and
Y. X.
Ni
,
J. Appl. Phys.
127
,
205106
(
2020
).
53.
Y. S.
Zhang
,
E.
Skoug
,
J.
Cain
,
V.
Ozoliņš
,
D.
Morelli
, and
C.
Wolverton
,
Phys. Rev. B
85
,
054306
(
2012
).
54.
G. A.
Slack
,
J. Phys. Chem. Solids
34
,
321
(
1973
).
55.
W. L.
Tao
,
Y. Q.
Zhao
,
Z. Y.
Zeng
,
X. R.
Chen
, and
H. Y.
Geng
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
13
,
8700
(
2021
).
56.
Y. H.
Qin
,
L. L.
Yang
,
J. T.
Wei
,
S. Q.
Yang
,
M. L.
Zhang
,
X. D.
Wang
, and
F. H.
Yang
,
Materials
13
,
5704
(
2020
).
57.
J.
Park
,
Y.
Xia
, and
V.
Ozoliņš
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
014058
(
2019
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.