低維量子結(jié)構(gòu)中的熱電性質(zhì)及其調(diào)控研究.pdf

1、隨著材料科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，新型納米材料和納米器件越來(lái)越引起了人們的關(guān)注。由于納米體系的量子尺寸效應(yīng)，納米材料和納米器件通常展現(xiàn)出一些奇特的物理性質(zhì)，因而在納米電子學(xué)、自旋電子學(xué)等諸多科學(xué)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，由于納米集成電路的集成化程度越來(lái)越高，集成電路工作時(shí)不可避免地產(chǎn)生“廢熱”，如何將這些“廢熱”及時(shí)散發(fā)出去已成為該領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)瓶頸，其中一個(gè)既節(jié)能又環(huán)保的方法是利用高性能的熱電材料，將產(chǎn)生的“廢熱”轉(zhuǎn)化為電能合理地利用

2、。本論文采用Landauer輸運(yùn)理論和散射矩陣相結(jié)合的方法、非平衡格林函數(shù)方法、分子動(dòng)力學(xué)方法，研究了納米結(jié)構(gòu)和器件中聲子的熱輸運(yùn)性質(zhì)、電子電導(dǎo)性質(zhì)以及器件的熱電轉(zhuǎn)換性質(zhì)，獲得了一些有意義的結(jié)果。
　　首先，利用非平衡格林函數(shù)方法和Landauer輸運(yùn)理論理論相結(jié)合，研究了石墨烯納米異質(zhì)結(jié)的彈道熱電轉(zhuǎn)換性質(zhì)。研究表明不同的異質(zhì)結(jié)對(duì)聲子熱導(dǎo)具有相似的影響，即熱導(dǎo)值在常溫下具有相似的變化趨勢(shì)，且遠(yuǎn)小于相同寬度的理想石墨帶的熱導(dǎo)，并且隨

3、著溫度的升高，熱導(dǎo)不斷增加。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于異質(zhì)結(jié)的兩端寬度不同，導(dǎo)致聲子的透射譜中出現(xiàn)了非總數(shù)量子化熱導(dǎo)現(xiàn)象。然而，電子的透射對(duì)異質(zhì)節(jié)的結(jié)構(gòu)非常敏感，強(qiáng)烈地依賴于結(jié)構(gòu)的幾何細(xì)節(jié)。不同的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致電子透射出現(xiàn)不同的振動(dòng)，這種振動(dòng)大大加強(qiáng)了系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換的功率因子（the thermopower）。因此壓縮的熱導(dǎo)和加強(qiáng)的功率因子使系統(tǒng)具有很高的熱電轉(zhuǎn)換效應(yīng)，在室溫T=300K，其ZT因子可以達(dá)到0.6。
　　其次，通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，研

4、究了石墨炔納米帶的熱導(dǎo)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)石墨炔的熱導(dǎo)性質(zhì)具有很強(qiáng)的各向異性，對(duì)于具有相同尺寸（寬7.6nm長(zhǎng)17nm）的石墨炔納米帶，armchair型納米帶（AGYNR）比zigzag型納米帶（AGYNR）的熱導(dǎo)要高出15％，并且隨著寬度的減少呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。通過(guò)聲子的色散關(guān)系對(duì)比，發(fā)現(xiàn)這種各向異性的熱導(dǎo)性質(zhì)是由于armchair型納米帶比zigzag型納米帶具有更高的聲子群速度和更多的聲子通道引起的，因此這種各向異性是材料本身固有的。這一研

5、究結(jié)果對(duì)石墨炔納米帶在納米電子學(xué)領(lǐng)域和熱電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用有重要的意義。
　　接下來(lái)，在彈性連續(xù)模型近似下，采用模匹配技術(shù)，利用散射矩陣方法和Landauer輸運(yùn)理論相結(jié)合，研究了T型砷化銦（InAs）納米線的聲子輸運(yùn)、電子輸運(yùn)和熱電轉(zhuǎn)換性質(zhì)。在計(jì)算聲子熱導(dǎo)時(shí)，分別計(jì)算了SH波、P波和SV波等三種波模的透射情況。結(jié)果表明，在溫度極限T→0時(shí)，熱導(dǎo)趨向于普適的量子化值22/3Bπk Th，且這些量子化值跟T型節(jié)的幾何結(jié)構(gòu)參量無(wú)關(guān)。但由

6、于 T型截面的散射，各種波模的熱導(dǎo)都被極大地壓縮，尤其是P波壓縮得最厲害，因此其對(duì)總的熱導(dǎo)貢獻(xiàn)最少。系統(tǒng)總的熱導(dǎo)也遠(yuǎn)小于理想的納米線。另外，由于T型節(jié)對(duì)載流子的濾波效應(yīng)致使電子的傳輸態(tài)密度發(fā)生局域形變，從而加強(qiáng)了熱電轉(zhuǎn)換的功率因子。高的熱電因子和低的熱導(dǎo)值使T型砷化銦納米線具有很好的熱電轉(zhuǎn)換性能。研究表明其ZT因子可以在0.3～1.9之間進(jìn)行調(diào)控。這種可以調(diào)控的熱電性質(zhì)對(duì)將來(lái)納米熱電裝置的設(shè)計(jì)有很大的用處。
　　然后，利用非平衡格

7、林函數(shù)方法，對(duì)彎曲型石墨烯納米帶的熱電性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究表明：不管是對(duì)兩極都是zigzag型石墨烯納米帶的ZZ-GNRs，還是對(duì)兩極是armchair型石墨烯納米帶的AA-GNRs，由于在中間散射部分zigzag納米帶與armchair型納米帶交替排列，從而引起了電子的共振射穿效應(yīng)，保持了高的電導(dǎo)傳輸性質(zhì)。另一方面，由于不同手性的石墨烯納米帶中聲子模的不匹配和彎曲部分的表面散射作用，導(dǎo)致聲子熱導(dǎo)大大減少。因而，這些因素導(dǎo)致了彎曲