殼層摻雜硅納米線熱導(dǎo)率的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、熱電材料作為一種重要的能量轉(zhuǎn)換材料，因?yàn)槠涓咝o(wú)污染的能量轉(zhuǎn)化利用方式和制冷方式，已經(jīng)越來(lái)越受材料研究學(xué)者的重視。熱電材料效能的高低是通過(guò)熱電優(yōu)值來(lái)決定的，ZT=S2σT/k，其中T表示絕對(duì)溫度，S表示塞貝克系數(shù)，σ表示電導(dǎo)率，k表示材料總的熱導(dǎo)率。我們可以在不影響其他因素的情況下，通過(guò)減小熱導(dǎo)率k來(lái)提高ZT值。
　　開(kāi)發(fā)一種價(jià)格低廉且可持續(xù)提供的清潔能源對(duì)于未來(lái)的發(fā)展需要是很重要的。盡管硅因?yàn)槠淞畠r(jià)和高產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用

2、于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),但是由于硅體材料的熱導(dǎo)率很高，從而導(dǎo)致了熱電優(yōu)值很小ZT~0.01，這使得長(zhǎng)期以來(lái)硅成為一種非常無(wú)效的熱電材料。幸運(yùn)的是，研究發(fā)現(xiàn)納米化處理可以大大降低硅的熱導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)硅納米線的熱電優(yōu)值ZT要比硅體材料提高接近100倍。
　　最近，Si-G e核殼結(jié)構(gòu)的納米線由于其良好的跨導(dǎo)和較高的載流子遷移率等特性，成為研究的熱點(diǎn)。在核殼結(jié)構(gòu)納米線中，電子和聲子的傳播是解耦合的，這對(duì)于提高熱電性能是很有利的。研究表明，Si

3、-Ge核殼結(jié)構(gòu)和Ge-Si核殼結(jié)構(gòu)的納米線的熱導(dǎo)率都非常小。在之前的核殼結(jié)構(gòu)納米線熱導(dǎo)率的研究中，殼層原子的組份都是單一的，熱導(dǎo)率減小的原因主要來(lái)自于界面效應(yīng)。我們推斷，通過(guò)調(diào)整殼層區(qū)域原子的組份，將界面效應(yīng)和雜質(zhì)散射效應(yīng)結(jié)合起來(lái)，可以進(jìn)一步減小Si-G e核殼結(jié)構(gòu)納米線的熱導(dǎo)率。在本論文中，應(yīng)用非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究了Si/GexSi1-x核殼結(jié)構(gòu)納米線的熱導(dǎo)率，結(jié)果表明殼層區(qū)域中 Ge原子的摻雜濃度對(duì)納米線的熱導(dǎo)率有強(qiáng)烈的

4、影響，Si/Ge0.6Si0.4核殼結(jié)構(gòu)納米線的熱導(dǎo)率明顯的低于Si/G e核殼結(jié)構(gòu)納米的熱導(dǎo)率。為了解釋熱導(dǎo)率減小的原因，我們進(jìn)行了晶格振動(dòng)模式的分析，發(fā)現(xiàn)在殼層摻雜的硅納米線中，從1.0 THz到2.0 THz和9.0 THz到16.0 THz范圍內(nèi)的聲子模式都被強(qiáng)烈地局域化了。此外，我們還對(duì)局域模式的空間分布進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明局域模式主要分布在殼層區(qū)域內(nèi)，且這些局域模式強(qiáng)烈抑制了熱流在殼層摻雜硅納米線中的傳播，這很好的解釋了熱導(dǎo)