The search for thermoelectrics with higher figures of merit (ZT) will never stop due to the demand of heat harvesting. Single layer transition metal dichalcogenides (TMD), namely, MX2 (where M is a transition metal and X is a chalcogen), that have electronic band gaps are among the new materials that have been the focus of such research. Here, we investigate the thermoelectric transport properties of hybrid armchair-edged TMD nanoribbons, by using the nonequilibrium Green's function technique combined with the first principles and molecular dynamics methods. We find a ZT as high as 7.4 in hybrid MoS2/MoSe2 nanoribbons at 800 K, creating a new record for ZT. Moreover, the hybrid interfaces by substituting X atoms are more efficient than those by substituting M atoms to tune the ZT. The origin of such a high ZT of hybrid nanoribbons is the high density of the grain boundaries: the hybrid interfaces decrease thermal conductance drastically without a large penalty to electronic conductance.

1.
M.
Chhowalla
,
H. S.
Shin
,
G.
Eda
,
L. J.
Li
,
K. P.
Loh
, and
H.
Zhang
,
Nat. Chem.
5
,
263
275
(
2013
).
2.
N.
Huo
,
J.
Kang
,
Z.
Wei
,
S.-S.
Li
,
J.
Li
, and
S.-H.
Wei
,
Adv. Funct. Mater.
24
,
7025
7031
(
2014
).
3.
Y.
Yoon
,
K.
Ganapathi
, and
S.
Salahuddin
,
Nano Lett.
11
,
3768
3773
(
2011
).
4.
C.
Ataca
,
H.
Şahin
, and
S.
Ciraci
,
J. Phys. Chem. C
116
,
8983
8999
(
2012
).
5.
H. J.
Chuang
,
X.
Tan
,
N. J.
Ghimire
,
M. M.
Perera
,
B.
Chamlagain
,
M. M.
Cheng
,
J.
Yan
,
D.
Mandrus
,
D.
Tomanek
, and
Z.
Zhou
,
Nano Lett.
14
,
3594
3601
(
2014
).
6.
Y.
Li
,
A.
Chernikov
,
X.
Zhang
,
A.
Rigosi
,
H. M.
Hill
,
A. M.
van der Zande
,
D. A.
Chenet
,
E.-M.
Shih
,
J.
Hone
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. B
90
,
205422
(
2014
).
7.
D.
Ovchinnikov
,
A.
Allain
,
Y.-S.
Huang
,
D.
Dumcenco
, and
D. A.
Kis
,
ACS Nano
8
,
8174
8181
(
2014
).
8.
B.
Radisavljevic
,
A.
Radenovic
,
J.
Brivio
,
V.
Giacometti
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
147
150
(
2011
).
9.
R.
Levi
,
O.
Bitton
,
G.
Leitus
,
R.
Tenne
, and
E.
Joselevich
,
Nano Lett.
13
,
3736
3741
(
2013
).
10.
Z.
Ding
,
J. W.
Jiang
,
Q. X.
Pei
, and
Y. W.
Zhang
,
Nanotechnology
26
,
065703
(
2015
).
11.
S.
Sahoo
,
A. P. S.
Gaur
,
M.
Ahmadi
,
M. J. F.
Guinel
, and
R. S.
Katiyar
,
J. Phys. Chem. C
117
,
9042
9047
(
2013
).
12.
X.
Wei
,
Y.
Wang
,
Y.
Shen
,
G.
Xie
,
H.
Xiao
,
J.
Zhong
, and
G.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
103902
(
2014
).
13.
A.
Taube
,
J.
Judek
,
A.
Lapinska
, and
M.
Zdrojek
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
7
,
5061
5065
(
2015
).
14.
G. J.
Snyder
and
E. S.
Toberer
,
Nat. Mater.
7
,
105
114
(
2008
).
15.
L. D.
Hicks
and
M. S.
Dresselhaus
,
Phys. Rev. B
47
,
12727
12731
(
1993
).
16.
J. O.
Sofo
and
G. D.
Mahan
,
Appl. Phys. Lett.
65
,
2690
(
1994
).
17.
K.
Hippalgaonkar
,
Y.
Wang
,
Y.
Ye
,
H.
Zhu
,
Y.
Wang
,
J.
Moore
, and
X.
Zhang
, preprint arXiv:1505.06779 (
2015
).
18.
J.
Wu
,
H.
Schmidt
,
K. K.
Amara
,
X.
Xu
,
G.
Eda
, and
B.
Ozyilmaz
,
Nano Lett.
14
,
2730
2734
(
2014
).
19.
Z.
Jin
,
Q.
Liao
,
H.
Fang
,
Z.
Liu
,
W.
Liu
,
Z.
Ding
,
T.
Luo
, and
N.
Yang
,
Sci. Rep.
5
,
18342
(
2015
).
20.
D. D.
Fan
,
H. J.
Liu
,
L.
Cheng
,
P. H.
Jiang
,
J.
Shi
, and
X. F.
Tang
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
133113
(
2014
).
21.
D.
Wickramaratne
,
F.
Zahid
, and
R. K.
Lake
,
J. Chem. Phys.
140
,
124710
(
2014
).
22.
Y.
Jung
,
J.
Shen
,
Y.
Sun
, and
J. J.
Cha
,
ACS Nano
8
,
9550
9557
(
2014
).
23.
N.
Choudhary
,
J.
Park
,
J. Y.
Hwang
,
H. S.
Chung
,
K. H.
Dumas
,
S. I.
Khondaker
,
W.
Choi
, and
Y.
Jung
,
Sci. Rep.
6
,
25456
(
2016
).
24.
Y.
Gong
,
J.
Lin
,
X.
Wang
,
G.
Shi
,
S.
Lei
,
Z.
Lin
,
X.
Zou
,
G.
Ye
,
R.
Vajtai
,
B. I.
Yakobson
,
H.
Terrones
,
M.
Terrones
,
B. K.
Tay
,
J.
Lou
,
S. T.
Pantelides
,
Z.
Liu
,
W.
Zhou
, and
P. M.
Ajayan
,
Nat. Mater.
13
,
1135
1142
(
2014
).
25.
C.
Huang
,
S.
Wu
,
A. M.
Sanchez
,
J. J.
Peters
,
R.
Beanland
,
J. S.
Ross
,
P.
Rivera
,
W.
Yao
,
D. H.
Cobden
, and
X.
Xu
,
Nat. Mater.
13
,
1096
1101
(
2014
).
26.
G.
Chen
,
Phys. Rev. B
57
,
14958
14973
(
1998
).
27.
M.
Hu
and
D.
Poulikakos
,
Nano Lett.
12
,
5487
5494
(
2012
).
28.
T.
Yamamoto
and
K.
Watanabe
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
255503
(
2006
).
29.
B.
Wang
,
J.
Wang
, and
H.
Guo
,
Phys. Rev. Lett.
82
,
398
401
(
1999
).
30.
S.
Datta
,
Superlattices Microstruct.
28
,
253
278
(
2000
).
31.
Y. P.
Chen
,
Y. E.
Xie
, and
X. H.
Yan
,
Phys. Rev. B
74
,
035310
(
2006
).
32.
G.-B.
Liu
,
W.-Y.
Shan
,
Y.
Yao
,
W.
Yao
, and
D.
Xiao
,
Phys. Rev. B
88
,
085433
(
2013
).
33.
B. A.
Stickler
and
W.
Pötz
,
J. Comput. Elecron.
12
,
490
500
(
2013
).
34.
T. B.
Boykin
,
J. P. A.
van der Wagt
, and
J. S.
Harris
,
Phys. Rev. B
43
,
4777
4784
(
1991
).
35.
S.
Schulz
and
G.
Czycholl
,
Phys. Rev. B
72
,
165317
(
2005
).
36.
K.
Yang
,
Y.
Chen
,
R.
D'Agosta
,
Y.
Xie
,
J.
Zhong
, and
A.
Rubio
,
Phys. Rev. B
86
,
045425
(
2012
).
37.
H.
Karamitaheri
,
N.
Neophytou
,
M.
Pourfath
,
R.
Faez
, and
H.
Kosina
,
J. Appl. Phys.
111
,
054501
(
2012
).
38.
M. P. L.
Sancho
,
J. M. L.
Sancho
, and
J. M. L. S. A. J.
Rubio
,
J. Phys. F: Met. Phys.
15
,
851
(
1985
).
39.
Y. P.
Chen
,
X. H.
Yan
, and
Y. E.
Xie
,
Phys. Rev. B
71
,
245335
(
2005
).
40.
J. D.
Gale
and
A. L.
Rohl
,
Mol. Simul.
29
,
291
341
(
2003
).
41.
J. D.
Gale
,
J. Chem. Soc., Faraday Trans.
93
,
629
637
(
1997
).
42.
J.-W.
Jiang
,
H. S.
Park
, and
T.
Rabczuk
,
J. Appl. Phys.
114
,
064307
(
2013
).
43.
J.-S.
Wang
,
J.
Wang
, and
N.
Zeng
,
Phys. Rev. B
74
,
033408
(
2006
).
44.
M.
He
,
F.
Qiu
, and
Z.
Lin
,
Energy Environ. Sci.
6
,
1352
(
2013
).
45.
P.
Reddy
,
S.-Y.
Jang
,
R. A.
Segalman
, and
A.
Majumdar
,
Science
315
,
1568
1571
(
2007
).
46.
J.
Yang
,
H.
Li
,
T.
Wu
,
W.
Zhang
,
L.
Chen
, and
J.
Yang
,
Adv. Funct. Mater.
18
,
2880
2888
(
2008
).
47.
J.
Zhang
,
H. J.
Liu
,
L.
Cheng
,
J.
Wei
,
J. H.
Liang
,
D. D.
Fan
,
P. H.
Jiang
,
L.
Sun
, and
J.
Shi
,
J. Mater. Chem. C
4
,
991
998
(
2016
).
48.
Z.
Zhang
,
Y.
Xie
,
Q.
Peng
, and
Y.
Chen
,
Sci. Rep.
6
,
21639
(
2016
).
49.
K.
Kaasbjerg
,
K. S.
Thygesen
, and
K. W.
Jacobsen
,
Phys. Rev. B
85
,
115317
(
2012
).
50.
L.-D.
Zhao
,
G.
Tan
,
S.
Hao
, and
J.
He
,
Science
351
,
141
144
(
2016
).
51.
P. D.
Borges
,
J. E.
Petersen
,
L.
Scolfaro
,
H. W. L.
Alves
, and
T. H.
Myers
,
J. Solid State Chem.
227
,
123
131
(
2015
).
52.
S.
Hao
,
F.
Shi
,
V. P.
Dravid
,
M. G.
Kanatzidis
, and
C.
Wolverton
,
Chem. Mater.
28
,
3218
3226
(
2016
).
53.
J. Y.
Kim
and
J. C.
Grossman
,
Nano Lett.
15
,
2830
2835
(
2015
).
54.
H.
Wang
,
J.
Hwang
,
M. L.
Snedaker
,
I.-H.
Kim
,
C.
Kang
,
J.
Kim
,
G. D.
Stucky
,
J.
Bowers
, and
W.
Kim
,
Chem. Mater.
27
,
944
949
(
2015
).
55.
H. J.
Wu
,
L.-D.
Zhao
,
F. S.
Zheng
,
D.
Wu
,
Y. L.
Pei
,
X.
Tong
,
M. G.
Kanatzidis
, and
J. Q.
He
,
Nat. Commun.
5
,
4515
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.