低维硅纳米结构的热电性能的理论研究

发布时间：2020-08-28 16:46

　　随着科学技术的飞速发展,人口的不断增加以及工业化进展的加快,能源短缺和环境污染问题日益严峻。为了解决这些问题,人们迫切需要寻找到高效、低污染的新能源技术,热电转换就是有效途径之一。热电材料能够将热能与电能进行直接转换,但由于材料转换效率低,制备成本高昂,在实际生产生活中的应用受到了极大地限制。不过近年来石墨烯的发现引发了各国科学家们对纳米热电材料研究的热潮。纳米材料由于具有更大的晶面与量子限制效应,与块体相比,热电性能更加优异。硅作为微电子产业的支柱,制备技术成熟,那么对硅基纳米材料热电性能的研究,将更具实际应用意义。本文采用密度泛函紧束缚(DFTB)结合非平衡格林函数(NEGF)的方法对两种典型硅纳米结构(哑铃状硅烯纳米带及Si24纳米线)的热电性能进行了深入研究,这些结果将为寻找高效的硅基热电材料提供可靠的理论指导。文章主要研究内容如下:1、我们研究了扶手椅型哑铃状硅烯纳米带(A-DB-SNRs)和锯齿型哑铃状硅烯纳米带(Z-DB-SNRs)的电子、声子输运性质及热电性能。我们的计算结果表明,哑铃状硅烯纳米带有良好的热电性质。其中,Z-DB-SNRs的声子热导随着宽度的增加呈阶梯状增加的趋势,这一独特现象可以通过分析其声子态密度获得解释。此外,我们还探究了温度对哑铃状硅烯纳米带的影响,随着温度的增加,它们的ZT值将逐步提升,当温度为600K时,A-DB-SNRs(NA=4)的ZT值能达到2.34。2、基于光电与热电技术结合的目的,我们还研究了 Si24纳米线的热电性能。通过对不同晶相Si24纳米线热电性能的计算,结果表明[010]晶向的Si24纳米线具有较高的ZT值。此外,我们探讨了 Ge原子掺杂对[010]晶向Si24纳米线的热电性能影响。计算发现随着掺杂浓度的增强,Si24纳米线的热电性能逐渐提升,通过对其功率因子和声子热导的分析发现,声子热导的下降对它的提升起主导作用。而声子热导的下降是由于掺杂破坏了 Si24纳米线的声子传输通道,引起了声子的散射,声子的透射遭到削弱所致。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.2;TB383.1
【部分图文】：

热电制冷器,工作原理,塞贝克效应,帕尔帖效应

将存在磁场，即塞贝克效应（Ｓｅｅｂｅｃｋｅｆｆｅｃｔ）。而后在１８３４年，法国科学家Ｐｅｌｔｉｅｒ逡逑发现了帕尔帖效应（Ｐｅｌｔｉｅｒ邋ｅｆｆｅｃｔ）。基于这两个效应，人们发明了温差发电机和逡逑热电制冷器［５，６］，它们的工作原理如图１－１所示。但目前来说，热电技术转换效逡逑３邋＾邋ｂ邋Ｊ１逡逑ｆ逦ｍｍ邋］邋ｆ邋ｍｍｍｍ邋ｍｓｍｍ）逡逑丽W邋ｐ＿＿ｆ逡逑Ｈｅａｔ？邋ｎｋ逦Ｈｅａｔ邋ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ逡逑ｌ逦邋Ｃｕｒｒｅｍ？ｇｗ，／Ｊ邋Ｌ逡逑Ｐｏｗｅｒ邋ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ邋ｍｏｄｅ逦Ａｃｔｉｖｅ邋ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ邋ｍｏｃｔｅ逡逑图１．１邋（ａ）温差发电机的工作原理逦（ｂ）热电制冷器的工作原理逡逑１逡逑

接点,回路,电流,导体

Ｔｉ邋ｉ逦＊Ｔ２逡逑图１．２导体Ａ、Ｂ连接在一起，两端接点处温度为乃和丁：！逡逑电子扩散的结果使一个导体失去电子带正点，另一个导体得到电子带负电，在接逡逑触面形成电场，阻碍电子继续扩散，当达到动态平衡时，接触区形成一个稳定的逡逑电势差，其数值为：逡逑Ｖ邋＝邋Ｓ－（Ｔ１－邋Ｔ２）逦（１－１）逡逑在温差４７＝７＾－：＾不是很大时，上式为线性关系，即Ｓ是常数，这个常数定义逡逑为材料的塞贝克系数，定义式为：逡逑Ｓ＝＾逦（⑶逡逑Ｓ的单位是Ｖ／Ｋ，它的大小与结点的温度及两种材料的特性有关。一般来说，当逡逑载流子是电子时，低温端为负，Ｓ是负值；载流子主要为空

热电材料,情况,纳米材料

湘潭大学硕士学位论文逦逡逑和玻璃的低热导，这样的材料将具有更为优异的热电性质。逡逑随着近年来纳米技术的蓬勃发展，纳米热电材料不论在理论还是实验方面都逡逑较大的研究空间。首先，纳米材料相比于块体材料具有更大的界面，并且由逡逑子限域效应，纳米热电材料的热导极大降低。其次，纳米材料提高了费米能逡逑近的态密度，使得载流子的有效质量增大，从而能够增大材料的Ｓｅｅｂｅｃｋ系逡逑总的来说，纳米结构能够显著降低材料的声子热导率，同时又不会明显降低逡逑的电导率，从而较大程度地提高了材料的热电性能。逡逑

【参考文献】